JP2015199028A - マイクロチャネルへの液体注入方法 - Google Patents

Abstract

【課題】送液チューブ、コネクタ、ポンプおよびバルブ等を使用せず構成が簡単であり、液体の使用量が少なく、更に注入時における液体の漏れを抑制することができる液体注入方法を提供する。【解決手段】サンプル容器に入った液体をマイクロピペットの先端に取り付けたピペットチップにより吸引・採取する工程と、ピペットチップをマイクロチップのマイクロチャネル導入口に押し付ける工程と、マイクロピペットから供給される圧縮気体により液体をピペットチップから前記マイクロチャネルへ注入・送液する工程とを順次実施する。ピペットチップからマイクロチャネルへ注入・送液する液体を弾性体よりなるガスケットでシールし、ピペットチップをマイクロチャネル導入口に押し付けたときにガスケットを圧縮変形させることにより液体注入圧に対抗し得る反力をガスケットに発生させる。【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロチャネルへの液体注入方法に係り、更に詳しくはマイクロ流体チップ、マイクロ流体デバイス、マイクロ化学チップ、マイクロ流路デバイスまたはマイクロ診断デバイス等（以下、これらを総称してマイクロチップとも称する）の内部に設けられた流路すなわちマイクロチャネルに対し試薬等の液体を注入するための技術に関する。

マイクロ・トータル・アナリシス・システムズ（μＴＡＳ）またはラブ・オン・チップ（Lab-on-Chip）等の名称で知られるように、基板内に所定の形状の流路を構成するマイクロチャネルおよびポート等の微細構造を設け、該微細構造内で物質の化学反応、合成、精製、抽出、生成及び／又は分析など各種操作を行うマイクロ流体チップが注目されている。マイクロ流体チップは、ゲノム解析、ゲノム創薬、蛋白質分析、予防診断、臨床診断または薬物スクリーニング等の医療関係市場や、化学分析、食品分析または環境モニタリング等の幅広い用途への適用が期待されている。

さらに、マイクロ流体チップは、従来型の手法と比較してサンプルおよび試薬の使用量が少なく、使い捨てすることができ、分析処理時間を大幅に短縮することができる。また検査コストを軽減し、検査結果を迅速に提示することができる。

マイクロ流体チップでは、試薬等の液体を、送液チューブを通じて注入口からマイクロ流体チップ内のマイクロチャネルに注入する作業が必要となる。通常このとき送液チューブとマイクロ流体チップを注入口で繋ぎ固定するジョイントが必要となる（非特許文献１）。その際、送液チューブとマイクロ流体チップを固定する方法として接着剤を用いる方法が考案されている。しかしながら接着剤を用いた場合、送液チューブとマイクロ流体チップの接着加工が必要であり、煩雑である。

これに対し、送液チューブの嵌め込み・埋め込みによるジョイント方法が提案されている。しかしながらマイクロ流体チップ内のマイクロチャネルに液体を送液するため注入圧が高圧となる場合があり、嵌め込み・埋め込みによるジョイントが外れ、液体漏れが生じる虞がある。これに対しネジ機構を用いてジョイントする方法もあるが、装着・解除に手間がかかる。また接続時に送液チューブがねじれることもある。

これに対し、送液チューブをＯリングを介してマイクロ流体チップに押し付けることによりジョイントする方法がある。しかしながらこの方法では送液チューブをマイクロ流体チップに押し付けるための治具が必要である（特許文献１）。

さらにこれら上記の方法は、すべて送液チューブが必要となるため、新たな測定にはコンタミネーションを防止するため洗浄や取り替え作業が必要である。またポンプやバルブを搭載したマイクロ流体チップは構成が複雑となるため、製造コストが高くなる欠点がある。

これに対し、送液チューブやコネクタを使用しない注入方法も考案されている（特許文献２）。しかしながらダイアフラムポンプを用いるため構成が複雑となり、製造コストが高くなる。一方、ポンプを使用せず圧縮空気により送液する方法も考案されている（特許文献３）。しかしながらこの方法ではバイアルを直接マイクロ流体チップに当接するため、比較的多くの液体が必要である。またバイアルをマイクロ流体チップに当接させた後これらを回転機構により回転させるなど構成が複雑である。

以上のことから、送液チューブ、コネクタ、ポンプおよびバルブ等を使用せず、かつ構成が簡単であり、かつ液体の使用量が少ない、マイクロ流体チップへの液体注入方法が求められる。

マイクロ化学チップの技術と応用 発行：丸善株式会社 ｐ２９９−３００

特開２００７−１５２１５１号公報 特開２００８−６４５４５号公報 特開２０１２−１９８０５０号公報

本発明は以上の点に鑑みて、送液チューブ、コネクタ、ポンプおよびバルブ等の送液機器を使用せず構成が簡単であり、液体の使用量が少なく、更に注入時における液漏れを抑制することができるマイクロチャネルへの液体注入方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１によるマイクロチャネルへの液体注入方法は、サンプル容器に入った液体をマイクロピペットまたは前記マイクロピペットの先端に取り付けたピペットチップにより吸引・採取する工程と、前記マイクロピペットまたは前記ピペットチップをマイクロチップのマイクロチャネル導入口に押し付ける工程と、前記マイクロピペットから供給される圧縮気体により前記液体を前記マイクロピペットまたは前記ピペットチップから前記マイクロチャネルへ注入・送液する工程とを順次実施し、前記マイクロピペットまたは前記ピペットチップから前記マイクロチャネルへ注入・送液する液体を弾性体よりなるガスケットでシールし、前記マイクロピペットまたは前記ピペットチップを前記マイクロチャネル導入口に押し付けたときに前記ガスケットを圧縮変形させることにより液体注入圧に対抗し得る反力を前記ガスケットに発生させることを特徴とする。

また、本発明の請求項２によるマイクロチャネルへの液体注入方法は、上記した請求項１に記載した液体注入方法において、前記ガスケットは前記マイクロピペットまたは前記ピペットチップの先端部に予め保持されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項３によるマイクロチャネルへの液体注入方法は、上記した請求項１に記載した液体注入方法において、前記ガスケットは前記マイクロチップに仮止めするフィルム体に予め保持されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項４によるマイクロピペットまたはピペットチップは、上記した請求項２記載の液体注入方法の実施に用いるマイクロピペットまたはピペットチップであって、その先端部にガスケットが保持されていることを特徴とする。

更にまた、本発明の請求項５によるフィルム体は、上記した請求項３記載の液体注入方法の実施に用いるフィルム体であって、その厚み方向一方の面に粘着剤が塗布されるとともに厚み方向他方の面にガスケットが保持され、かつ前記ガスケットの内周空間およびマイクロチャネル導入口を連通する貫通孔が設けられていることを特徴とする。

上記構成を有する本発明においては、注入する液体量がマイクロピペットまたはピペットチップにより吸引した量のみとなるため、必要とされる液体量が非常に少ない。また、マイクロチップと送液チューブをコネクタで接続する必要がなくなるばかりか、送液チューブそのものを使用する必要がない。また、ポンプおよびバルブ等を使用せず、かつ構成が簡単である。また、部品点数が少なく、構成も簡単なため、製造コストが低く、使い捨てが可能であり、このため洗浄作業が不要で、かつ試料によるコンタミネーションがない。また、マイクロピペットもしくはピペットチップの先端部またはマイクロチップに仮止めするフィルム体に予め保持されたガスケットによるシール作用で注入時における液漏れが抑制される。また、マイクロピペットまたはピペットチップのマイクロチップへの押し付けに、自動ピペット装置やピッペッティングロボットを使用することにより、簡素なシステム構成で液体を注入することができる。また、注入の自動化も可能である。さらにマルチチャンネルピペットを使用することにより、複数枚のマイクロチップに同時に液体を注入することも可能である。

本発明の実施例に係る液体注入方法の実施に用いるピペットチップの一例を示す断面図 （Ａ）（Ｂ）とも同ピペットチップの他の例を示す断面図 （Ａ）（Ｂ）とも同ピペットチップの他の例を示す断面図 本発明の他の実施例に係る液体注入方法の実施に用いるピペットチップおよびフィルム体の一例を示す斜視図 （Ａ）（Ｂ）とも同ピペットチップおよびフィルム体を示す断面図

本発明には、以下の実施形態が含まれる。
（１）上記特許文献３記載の発明では、バイアル（＝送液容器）を直接マイクロ流体チップに当接するため比較的多くの試薬等のサンプル液体が必要であり、またバイアル径（＝送液容器の送液口径）はサンプル液導入口径より極めて大きい。そのため、サンプル液はその自重ではサンプル導入口に導入されないため、サンプル液体に圧縮気体を供給する強制送液装置が別途必要である。更に、サンプル液をバイアルに入れて、これを逆さにしてから圧縮気体を導入するため、送液工程が煩雑であり、さらにバイアルに入れるサンプル液がバイアルの底に残存するためこれを考慮したサンプル液の量を入れる必要がある。したがって特許文献３記載の発明では、マイクロ流体チップへの送液システムとしては煩雑で、改善の余地が残されている。
（２）上記（１）に記載した問題に対し、マイクロ流体チップへのサンプル液の送液方法および送液容器を簡易にすること、すなわちサンプル液をマイクロ流体チップへ送液する際に別途強制送液装置を使用せずに送液する方法および送液容器を提供することが求められる。

（３）構成
上記（２）に記載した課題に対し、課題解決の送液方法として、
ａ．送液容器内に圧縮した気体を解放して、送液容器内にサンプル液を吸い上げる。
ｂ．送液容器内の気体を圧縮する。
ｃ．その圧縮気体を押し出すことで、送液容器内のサンプル液が加圧され、サンプル液が送液容器内からマイクロ流体チップのサンプル液導入口に流れ込む（送液）。
また、送液容器の構成として、吸引力となる圧縮気体の開放および送液力となる圧縮気体を送液容器自体に蓄積する部分を、サンプル液の上部に設ける。
（４）作用
吸引力に用いた圧縮気体を送液力に利用できる。
（５）効果
サンプル液を送液容器に入れて、逆さにして送液することなく、さらに別途強制送液装置を設けることなく、サンプル液を送液容器に入れてマイクロ流体チップへサンプル液を送液できることから、送液方法および送液容器を簡易にできる。また、吸引力および送液力となる圧縮気体を人力程度の小さい力で吸引・加圧できる。さらに、本件では人力程度の小さい力で加圧可能な送液力となる圧縮気体を用いるため、注入液体量は少なくしなければならないところ、ピペットの特徴としてサンプル液の使用量が少なくて済むことから、マイクロ流体チップへの送液に適している。

（６）送液容器の構成の詳細として、先端にガスケットを設けたピペットを使用する。ガスケットは、少なくともピペット先端とマイクロ流体チップのサンプル液導入口との当接面に設けられていれば良く（図１）、ピペット先端の周面を覆う形状であっても良い（図２，３）。図１の例では、突起がガスケットの反力を受ける役割も果たしており、ガスケットが圧縮変形しやすい形状になっている。図２，３の例では、ピペットチップ側面でガスケットの反力を受ける。シール面圧はガスケットと導入口の寸法で決まるため、安定した面圧が得られる。マイクロ流体チップには嵌め合い溝（注入口溝）が設けられていても良い。ガスケットは、ピペットに一体化されていてもピペットチップ（樹脂キャップ）に設けられていても良い。

つぎに本発明の実施例を説明する。

本発明の実施例に係る液体注入方法は、以下の手順にて注入作業を行う。

すなわち先ず、マイクロチューブ、サンプルチューブ、バイアル、試験管、スピッツ管またはコニカルチューブ等のサンプル容器に入った試薬等の液体を、マイクロピペットの先端に取り付けたピペットチップにより吸引・採取する。つぎにピペットチップをマイクロチップのマイクロチャネル導入口に押し付け、ピペットチップ先端を導入口に当接させる。つぎにマイクロピペット本体部から圧縮気体を供給し、この圧縮空気による注入圧をもって試薬等の液体をピペットチップからマイクロチップ内のマイクロチャネルへ注入・送液する。

図１に示すようにピペットチップ１１の先端（図では下端）であって液体出入口１２の周りに、ゴムやエラストマー等の弾性体からなるリング状のガスケット２１が保持されており、ピペットチップ１１がマイクロチップ３１のマイクロチャネル導入口３２に押し付けられることによりガスケット２１が圧縮変形し、ガスケット２１に圧縮変形による反力が発生する。しかして本発明はこのようにガスケット２１に発生する反力を有効利用するものであって、すなわち液体注入時の圧縮気体による注入圧に対しこの反力が対抗するため、液体は外部に漏れることなくピペットチップ１１からマイクロチャネル導入口３２を経てマイクロチャネル３３に導入される。

ピペットチップ１１先端へのガスケット２１の装着は、図示するようにピペットチップ１１先端外周にガスケット受け止め用の突起１３を設け、この突起１３を軸方向の受け止め部としてその先端側に設けた段部１４に予め別途成形したガスケット２１を嵌め合わせるが、図２または図３に示すようにピペットチップ１１の先端部にガスケット２１を直接一体成形するようにしても良い。

また、図１に示すようにマイクロチャネル導入口３２の口径がガスケット２１の内径より小さい場合、ガスケット２１はマイクロチャネル導入口３２の開口周縁部であってマイクロチップ３１の上面３１ａに押し付けられるので、ガスケット２１はこれをピペットチップ１１先端から先端方向（図では下方）へ突出するように配置する。図１のガスケット２１は断面円形のＯリング状であって、ピペットチップ１１先端から先端方向へ突出してマイクロチップ３１の上面３１ａに押し付けられる先端部分が断面円弧形のリップ２２をなしているため、マイクロチップ３１の上面３１ａに押し付けられたとき、接触面圧（シール面圧）に円弧先端（リップ先端）によるピーク値が立つ。したがってガスケット２１はこのように断面円弧形のリップ２２を備えているので、リップを備えない平面状のガスケットと比較して、シール性に優れるものである。

また、図２に示すようにマイクロチャネル導入口３２の口径がガスケット２１の内径より大きい場合、ガスケット２１はピペットチップ１１先端とともにマイクロチャネル導入口３２に挿入されマイクロチャネル導入口３２の内面（立ち上がりの側面）３２ａに押し付けられるので、ガスケット２１はこれをピペットチップ１１先端から先端方向へ突出させる必要はなく径方向外方へ向けてのみ突出させる。図２のガスケット２１は断面半円形であって、径方向外方へ突出してマイクロチャネル導入口３２の内面３２ａに押し付けられる外周部分が断面円弧形のリップ２２をなしているため、マイクロチャネル導入口３２の内面３２ａに押し付けられたとき、接触面圧（シール面圧）に円弧先端（リップ先端）によるピーク値が立つ。したがってガスケット２１はこのように断面円弧形のリップ２２を備えているので、リップを備えない平面状のガスケットと比較して、シール性に優れるものである。また図３に示すように、ガスケット２１をマイクロチャネル導入口３２の内面３２ａに押し付けるための突起１５をピペットチップ１１先端外周に設けるようにしても良い。

ピペットチップ１１は通常市販されているものと同様、熱可塑性樹脂を成形材料として射出成形法などにより作製される。一方、ゴムやエラストマーよりなるガスケット２１の材質としてはピペットチップ１１の材質や液体の種類により選定されるが、代表的なものとしてはシリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、ニトリルゴム、ブチルゴムなどが挙げられる。ガスケット２１の成形方法は圧縮成形法や射出成形法などとされる。

また、上記実施例では、ガスケット２１をピペットチップ１１の先端部に保持する構成としたが、これに代えて、ガスケット２１をマイクロチップ３１に仮止めするフィルム体４１に保持する構成としても良く、以下、この場合の実施例を説明する。

すなわち図４に示すように、マイクロチップ３１の上面に剥離可能に貼着されるフィルム体４１を用意し、このフィルム体４１の下面に粘着剤（図示せず）を塗布するとともにフィルム体４１の上面にリング状のガスケット２１を接着等の手段で固定する。フィルム体４１としてはフレキシブルな樹脂製フィルムを用いるのが好適である。

ガスケット２１は、フィルム体４１をマイクロチップ３１の上面に貼着した状態で、マイクロチップ３１の上面に開口したマイクロチャネル導入口３２と平面上の位置を合わせて設けられ、マイクロチップ３１の上面にマイクロチャネル導入口３２が複数開口している場合には各導入口３２の位置に合わせて同数のガスケット２１が設けられている。

また、図５の断面に示すようにフィルム体４１には、このフィルム体４１をマイクロチップ３１の上面に貼着した状態で、ガスケット２１の内周空間およびマイクロチャネル導入口３２を連通するための貫通孔４２が設けられている。

以上の構成からして上記ガスケット２１はこれを粘着剤付フィルム一体ガスケットと称することもでき、この粘着剤付フィルム一体ガスケットの構成としてフィルム体４１の片面に粘着剤が形成され、反対側の面にゴムやエラストマーの弾性体からなるガスケット２１が形成されている。ガスケット２１はＯリング等のように中心に孔が存在しており、この孔がフィルム体４１に設けた貫通孔４２を経由してマイクロチャネル導入口３２まで到達している。ガスケット２１の内径はピペットチップ１１先端の外径より小さく設定されており、よってガスケット２１の内周にピペットチップ１１を圧入することになる。

上記したようにマイクロチップ３１には複数のマイクロチャネル導入口３２が開口している場合があり、本発明の当該構成によればマイクロチップ３１にフィルム体４１を貼り付けるのみで、複数のマイクロチャネル導入口３２に対しガスケット２１の位置決めをなすことができる。試薬等の液体を注入する際はピペットチップ１１を当接しガスケット２１を圧縮するため、マイクロチップ３１とフィルム体４１を強固に接着する必要はなく、ガスケット２１が位置決めできる程度で良い。

尚、フィルム体４１の形態としては、上記実施例のようにフィルム体４１の平面形状をマイクロチップ３１の上面と同形同大として１枚のフィルム体４１がマイクロチップ３１の上面全域をカバーし、この１枚のフィルム体４１をもってマイクロチップ３１上にある複数の導入口３２に対応して複数のガスケット２１および貫通孔を設ける形態のほかに、複数枚のフィルム体４１を併用するようにしても良い。

この場合、フィルム体４１はこれをガスケット２１より一回り大きいサイズにし、このフィルム体４１を導入口３２と同数用意し、一枚当たりにガスケット２１一つと貫通孔４２一箇所を設け、このフィルム体１４を各導入口３２にそれぞれ貼付する。また、三つ以上の導入口３２がある場合にはこれをグループ分けするようにしても良い（例えば導入口３２が四つある場合、第１フィルム体４１で第１および第２導入口３２に対する第１および第２ガスケット２１を配置し、第２フィルム体４１で第３および第４導入口３２に対する第３および第４ガスケット２１を配置するなど）。

１１ ピペットチップ
１２ 液体出入口
１３，１５ 突起
１４ 段部
２１ ガスケット
２２ リップ
３１ マイクロチップ
３２ マイクロチャネル導入口
３３ マイクロチャネル
４１ フィルム体
４２ 貫通孔

Claims (5)

1. サンプル容器に入った液体をマイクロピペットまたは前記マイクロピペットの先端に取り付けたピペットチップにより吸引・採取する工程と、前記マイクロピペットまたは前記ピペットチップをマイクロチップのマイクロチャネル導入口に押し付ける工程と、前記マイクロピペットから供給される圧縮気体により前記液体を前記マイクロピペットまたは前記ピペットチップから前記マイクロチャネルへ注入・送液する工程とを順次実施し、
   前記マイクロピペットまたは前記ピペットチップから前記マイクロチャネルへ注入・送液する液体を弾性体よりなるガスケットでシールし、前記マイクロピペットまたは前記ピペットチップを前記マイクロチャネル導入口に押し付けたときに前記ガスケットを圧縮変形させることにより液体注入圧に対抗し得る反力を前記ガスケットに発生させることを特徴とするマイクロチャネルへの液体注入方法。
2. 請求項１に記載した液体注入方法において、
   前記ガスケットは前記マイクロピペットまたは前記ピペットチップの先端部に予め保持されていることを特徴とするマイクロチャネルへの液体注入方法。
3. 請求項１に記載した液体注入方法において、
   前記ガスケットは前記マイクロチップに仮止めするフィルム体に予め保持されていることを特徴とするマイクロチャネルへの液体注入方法。
4. 請求項２記載の液体注入方法の実施に用いるマイクロピペットまたはピペットチップであって、
   その先端部にガスケットが保持されていることを特徴とするマイクロピペットまたはピペットチップ。
5. 請求項３記載の液体注入方法の実施に用いるフィルム体であって、
   その厚み方向一方の面に粘着剤が塗布されるとともに厚み方向他方の面にガスケットが保持され、かつ前記ガスケットの内周空間およびマイクロチャネル導入口を連通する貫通孔が設けられていることを特徴とするフィルム体。

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