JP5156839B2 - 溶液リザーバ−ポンプチャンバを有するマイクロ流体カートリッジ - Google Patents

Description

本発明は、化学試料及び生物試料を検査するためのマイクロ流体バイオチップに関し、特には、磁気センサバイオチップをそのマイクロ流体チャネル内に有するマイクロ流体カートリッジであって、化学試料及び生物試料が前記マイクロ流体チャネルに注入され、前記試料中のバイオ分子がスクリーニング及び検出されるマイクロ流体カートリッジに関する。

マイクロリットル又はナノリットルの容量の溶液を取り扱い、そして分析するマイクロ流体技術の開発により、ラボオンチップ(laboratory-on-a-chip)（ＬＯＣ）又はマイクロ流体技術を研究所から産業界に移行させることが可能になった。化学及び生物の分野において、マイクロ流体システムは、トレース流体の送出、マイクロ合成、試料分離、成分分析、及び化学反応などの用途に益々利用されている。

現在までに開示されているマイクロ流体チップの多くは電気泳動チップであり、溶液中の分子が電気泳動及び／又は電気浸透により反応面へと移動させられる。電気泳動チップはトレース溶液を扱うことはできるが、このようなプロセスの再現性及び制御可能性は低い。一方、シリンジを用いた流体操作は簡単であるが、この手順においては、一般に、比較的多量の溶液及び試薬が消費され、従って、溶液の廃棄が頻繁に生じる。それゆえ、多くの研究者が、マイクロリットル又はナノリットルの容量の流体を用いるための様々な技術及び装置を開発しており、特には、様々なタイプの微量の流体を連続的に又は同時に操作し及び汲み出すことを研究している。このようなマイクロ流体プロセスの精度及び制御可能性を保証するために、多くの種類のマイクロポンプ及びマイクロ弁が開発されてきた。

マイクロ流体バイオチップのコスト及び寸法を低減するために、本発明は、検出デバイスとしての小型バイオチップを有するマイクロ流体カートリッジを提供する。このカートリッジにおいて、液体リザーバが、外部のリニアアクチュエータにより駆動されるとき、ポンプチャンバとしても機能する。本発明に従うカートリッジは、マイクロ流体構造が組み込まれており、寸法が小さく、製造コストが安く、使用が容易である。さらに、本発明のカートリッジは、使用者が生体検出プロセスを正確に実行できるように微量の溶液及び試薬を取り扱い、また操作することを可能にする。

本発明の一態様は、チャネル−チャンバ層と、前記チャネル−チャンバ層のためのシール層と、磁気抵抗バイオチップに接合されたプリント回路基板と、少なくとも１つの流体入口とを含む、溶液リザーバ−ポンプチャンバを有するマイクロ流体カートリッジである。このマイクロ流体カートリッジにおいて、
前記チャネル−チャンバ層に、廃棄物リザーバ、反応−検出チャンバ、少なくとも１つの溶液リザーバ−ポンプチャンバ、及び、少なくとも１つのマイクロチャネルが設けられ、前記廃棄物リザーバは、廃棄物出口を有し、且つ前記反応−検出チャンバに前記マイクロチャネルを介して連通し、前記反応−検出チャンバの他方のポートは前記溶液リザーバ−ポンプチャンバ及び前記流体入口に、前記マイクロチャネルを介して連通しており、
前記溶液リザーバ−ポンプチャンバは、試料リザーバ及び試薬リザーバを含み、前記リザーバの各々が、円筒状チャンバ、並びに前記円筒状チャンバ内の液体のシール（密封）及び汲み出しのために用いられる弾性要素からなり、
前記シール層と前記チャネル−チャンバ層とは、前記廃棄物リザーバ、前記反応−検出チャンバ、前記シール（密封）可能な溶液入口、前記溶液リザーバ−ポンプチャンバ、及び前記マイクロチャネルを完全に形成するように位置合わせ及びシール（密封）され、
チップウィンドウが、前記チャネル−チャンバ層内の前記反応−検出チャンバの位置に対応する、前記シール層の位置に形成され、前記チップウィンドウは、前記反応−検出チャンバと、前記プリント回路基板上の前記磁気抵抗バイオチップとの間で位置合わせ及びシール（密封）されて、前記磁気抵抗バイオチップの表面を反応及び検出面とする完全な反応−検出チャンバを形成し、
前記磁気抵抗チップの前記面が、バイオチップを形成するように生体機能を有し、前記バイオチップは、前記マイクロ流体カートリッジの外部の検査装置に、前記プリント回路基板上の複数の導電ラインにより接続される。

本発明に従えば、前記弾性要素は弾性回転楕円体又は弾性シリンダである。

本発明に従えば、前記円筒状チャンバは、上部、中間部、及び下部を含み、前記下部は前記マイクロチャネルと流体連通しており、前記上部の直径は前記中間部及び下部の直径よりも大きく、且つ、前記下部の直径は前記中間部の直径以上である。

本発明に従えば、１つの前記円筒状チャンバが、前記円筒状チャンバ内の液体のシール（密封）及び汲み出しのために用いられる２つの弾性回転楕円体を有する。前記２つの弾性回転楕円体の一方は、前記円筒状チャンバの前記上部の前記直径よりもわずかに大きい直径を有する、より大きい回転楕円体であり、前記２つの弾性回転楕円体の他方は、前記中間部の前記直径よりもわずかに大きいが前記円筒状チャンバの下部よりも小さい直径を有する、より小さい回転楕円体である。前記溶液リザーバ−ポンプチャンバ内の前記液体は、前記より小さい弾性回転楕円体が、外部のアクチュエータにより推進された前記より大きい回転楕円体により圧力をかけられた前記液体により前記円筒状チャンバの前記下部内に追い込まれるときに、前記下部を通って流出する。

前記弾性回転楕円体は、前記円筒状チャンバの直径よりもわずかに大きい直径を有し、前記弾性回転楕円体がアクチュエータにより駆動されるとき、前記円筒状チャンバ内の前記液体を押し出して前記円筒状チャンバをシール（密封）する。

本発明に従えば、磁気抵抗バイオチップに接合された前記プリント回路基板は、プリント回路基板、磁気抵抗バイオチップ、及び、前記バイオチップを外部のテスタに接続する導電ラインを含む。

本発明に従えば、前記シール（密封）可能な溶液入口の表面はシール材料によりシール（密封）されている。

本発明は、小型の磁気抵抗バイオチップのための溶液リザーバ−ポンプチャンバを有するマイクロ流体カートリッジを提供する。前記溶液リザーバ−ポンプチャンバは、溶液リザーバとポンプチャンバとを単一の物体に一体化し、カートリッジの構造を著しく簡単にする。正確につくられた形状寸法により、前記リザーバ内に保存される溶液の容量を正確に制御することができる。前記リザーバ内の弾性回転楕円体が、コンピュータ制御によるアクチュエータにより駆動されることで、ポンプ弁として作用して、溶液を、制御された流量で反応−検出チャンバ内に、マイクロチャネルを通して注入させる。異なるタイプの試薬又は溶液の注入のシーケンスを、リニアアクチュエータを制御するコンピュータにプログラミングすることができる。このような、一体化され且つ簡単な溶液リザーバ−ポンプチャンバにより、前記カートリッジは使用が容易で安価に製造され、また、使い捨て用として十分な選択肢となる。

第１の実施形態におけるマイクロ流体カートリッジのチャネル−チャンバ層の、シール層によりシールされる底面を示す。 Ａは図１に示したチャネル−チャンバ層の面によりシールされる、前記シール層の上面を示す。Ｂは図３に示されるプリント回路基板によりシールされる、前記シール層の下面を示す。 第１の実施形態における、磁気抵抗バイオチップに接合されたプリント回路基板を示す。 Ａは第１の実施形態における溶液リザーバ−ポンプチャンバの、溶液が収容された状態を示す。Ｂは溶液が放出されているときの溶液リザーバ−ポンプチャンバを示す。Ｃは第２の実施形態における溶液リザーバ−ポンプチャンバの、溶液が収容された状態を示す。 第１の実施形態における溶液入口を示す。 第１の実施形態における、組み立てられたマイクロ流体カートリッジの側面図である。 第３の実施形態におけるマイクロ流体カートリッジの下面を示す。

実施形態１
図１、図２Ａ、図２Ｂ、図３、図４Ａ、図４Ｂ、図５及び図６を参照する。マイクロ流体カートリッジは、チャネル−チャンバ層１０、チャネル−チャンバ層のためのシール層２０、及びプリント回路基板３０を備えている。

図１に示されているチャネル−チャンバ層１０は、基板１０１、シール可能な溶液入口１０２、溶液リザーバ−ポンプチャンバ１１、部分的に構築されたマイクロチャネル１０４、部分的に構築された反応−検出チャンバ１０５、部分的に構築された廃棄物リザーバ１０６、及び廃棄物出口１０７を含む。前記廃棄物リザーバ１０６は、マイクロチャネル１０４を介して反応−検出チャンバ１０５と流体連通している。反応−検出チャンバ１０５の他端は、マイクロチャネル１０４を介して溶液リザーバ−ポンプチャンバ１１及び溶液入口１０２と連通している。

図２Ａ及び図２Ｂに示されている前記シール層２０は上面２１と下面２２とからなる。層２０と層１０とが互いにシールされたときに、シール層２０上のチップウィンドウ２０１が、チャネル及びチャンバ層１０における前記反応−検出チャンバ１０５とぴったりと合う。シール層２０の上面２１は、図１に示されている前記チャネル及びチャンバ層１０の面にシールされ、これにより、廃棄物リザーバ１０６及びマイクロチャネル１０４の構築を完成させる。反応−検出チャンバ１０５は、部分的に完成されたカートリッジがプリント回路基板３０によりシールされるまで未だ完成されない。

図２Ｂに示されているように、シール層２０のチップウィンドウ２０１の縁周囲に、図３に示されているプリント回路基板３０上のバイオチップ３０１のボンディングワイヤを収容するための凹状のスペースがある。プリント回路基板３０がシール層２０の下面２２と位置合わせされ且つシール（密封）されると、磁気抵抗バイオチップ３０１がチップウィンドウ２０１内に嵌まり込み、反応−検出チャンバ１０５の底部上で、完成されたカートリッジの反応−検出面として機能する。図３に示されているように、プリント回路基板３０は、プリント回路板３０２、磁気抵抗バイオチップ３０１及び導電ライン３０３からなる。

図４Ａ及び図４Ｂに示されているように、溶液リザーバ−ポンプチャンバ１１が、円筒状チャンバ１２及び弾性要素１３を含む。弾性要素１３は、シール弁及びポンプ弁の両方の機能を果たす。円筒状チャンバ１２は２つの異なる構造を有することができる。一方は、直径の異なる突き合わされた２つの円筒状チャンバを有し、他方は、直径の異なる３つの円筒状チャンバを有する。上部１２１の直径は中間部１２２及び下部１２３の直径よりも大きい。中間部１２２の直径は下部１２３の直径よりもわずかに小さい。弾性部材１３は、それぞれの円筒状チャンバの直径よりもわずかに大きい直径を有する。より詳細には、回転楕円体１３１は、円筒状チャンバの上部１２１の直径よりもわずかに大きい直径を有し、回転楕円体１３２の直径は、中間部１２２の直径よりもわずかに大きいが、下部１２３の直径よりは小さい。最初に回転楕円体１３１が上部１２１に挿入されてチャンバ１１の上部をシールする。試料又は溶液が、図１に示されている入口１０３を通してチャンバ１１内に注入される。次いで、回転楕円体１３２がチャンバ１１の中間部１２２に、チャンバをシールするために配置される。弾性回転楕円体１３１が円筒状チャンバの下部に向って駆動されると、溶液が弾性回転楕円体１３２を、弾性回転楕円体１３２のシール効果が消失する部分１２３内に押し込み、溶液は円筒状チャンバから流出し、マイクロチャネル１０４を通って反応−検出チャンバ１０５内に入る。

図５に示されている液体入口１０２は、溶液リザーバ−ポンプチャンバ内に保存されない緩衝溶液又は任意の試薬を注入するためのものである。使用されていないときにこれらの入口はシールされている。使用時に、シリンジニードル４０（外部装置）が入口１０２の上部のシール層を貫通して、溶液を反応−検出チャンバ１０５内に、マイクロチャネル１０４を通して注入させる。

図６は、組み立てられたカートリッジの側面図である。使用において、試料及び試薬が溶液リザーバの少なくとも１つに加えられ、次いで、リザーバが弾性要素によりシールされる。カートリッジは検査装置内に配置される。プログラム可能なドライバにより制御されるリニアアクチュエータが弾性回転楕円体を下方に押し、溶液を溶液リザーバ−ポンプチャンバから追い出し、マイクロチャネルを通して反応−検出チャンバ内に入れる。続いて、又は同時に、プログラム可能なアクチュエータにより制御されるシリンジニードルが下方に移動し、シールされている入口内に差し込まれることにより溶液を注入させる。シリンジニードルが引き戻されるときに入口は再びシールされる。

実施形態２
図４Ｃを参照する。実施形態１と比較すると、実施形態２は、構造的に異なる溶液リザーバ−ポンプチャンバ１１を有し、溶液のシール及び汲み出しのために用いられる弾性シリンダ１３３及び弾性シリンダ１３４を有する。溶液リザーバ−ポンプチャンバ１１は、円筒状チャンバと、弾性シリンダ１３３及び弾性シリンダ１３４とを含む。弾性シリンダ１３３は、シール弁及びポンプ弁の両方の機能を果たし、一方、弾性シリンダ１３４はシールをするためだけに存在する。円筒状チャンバ１１は２つの異なる構造を有することができる。一方は、直径の異なる突き合わされた２つの円筒状チャンバを有し、他方は、直径の異なる３つの円筒状チャンバを有する。上部１２１の直径は中間部１２２及び下部１２３の直径よりも大きい。中間部１２２の直径は下部１２３の直径よりもわずかに小さい。弾性シリンダ１３３は、円筒状チャンバの上部１２１の直径よりもわずかに大きい直径を有する。そして、弾性シリンダ１３４の直径は、中間部１２２の直径よりもわずかに大きいが、下部１２３の直径よりは小さい。最初に弾性シリンダ１３３がチャンバ１１の上部をシールするために上部１２１に挿入される。試料又は溶液が、図１に示されている入口１０３を通してチャンバ１１内に注入される。次いで、弾性シリンダ１３４がチャンバ１１の中間部１２２に、チャンバをシールするために配置される。弾性シリンダ１３３が円筒状チャンバの下部に向って駆動されると、溶液が弾性シリンダ１３４を、弾性シリンダ１３４のシール効果が消失する部分１２３内に押し込み、溶液は円筒状チャンバから流出し、マイクロチャネル１０４を通って反応−検出チャンバ１０５内に入る。

実施形態３
図７を参照する。実施形態１と比較すると、実施形態３のチャネル−チャンバ層１０の溶液リザーバ−ポンプチャンバ１１は、溶液入口１０２と同じマイクロチャネルの上に配置されている。実施形態１と同様に、実施形態３のマイクロ流体カートリッジは、図７に示されているチャネル及びチャンバ層１０、図２Ａ及び２Ｂに示されているシール層２０、及び、図３に示されている、磁気抵抗バイオチップ及び導電ラインを有するプリント回路基板３０を含む。チャネル−チャンバ層１０は、基板１０１、溶液入口１０２、溶液リザーバ−ポンプチャンバ１１、部分的に構築されたマイクロチャネル１０４、部分的に構築された反応−検出チャンバ１０５、及び、廃棄物出口１０７を有する部分的に構築された廃棄物リザーバ１０６からなる。廃棄物リザーバ１０６は、反応−検出チャンバ１０５の出口端部と、マイクロチャネル１０４を介して流体連通している。そして、反応−検出チャンバ１０５の他端は、溶液入口１０２と流体連通している溶液リザーバ−ポンプチャンバ１１と流体連通している。溶液リザーバ−ポンプチャンバ１１の構造は、実施形態１にて詳細に記載した、図４Ａに示されている構造であっても良いし、或いは、実施形態２にて詳細に記載した、図４Ｃに示されている構造であっても良く、これらの構造をここで再び記載しない。同様に、シール層及びプリント基板に関しても実施形態１にて詳細に記載しており、これらを実施形態３に関して繰り返し記載しない。

上記の実施形態は、本発明の多くの態様の詳細を示している。しかし、当業者には明らかであるように、これらの実施形態に関する多くの修正及び変更が、本発明の範囲及び精神から逸脱せずに行われることができる。本文中に記載した特定の実施形態は例として提示されているに過ぎず、本発明は、添付の特許請求の範囲の文言、及び、前記特許請求の範囲の均等物の全範囲によってのみ限定される。

１０ チャネル−チャンバ層
１１ 溶液リザーバ−ポンプチャンバ
１２ 円筒状チャンバ
１２１ 円筒状チャンバの上部
１２２ 円筒状チャンバ中間部
１２３ 円筒状チャンバの下部
１３ 弾性要素
１３１，１３２ 弾性回転楕円体
１３３，１３４ 弾性シリンダ
１０１ 基板
１０２ シール可能な溶液入口
１０３ 溶液リザーバの入口
１０４ マイクロチャネル
１０５ 反応−検出チャンバ
１０６ 廃棄物リザーバ
１０７ 廃棄物出口
２０ チャネル−チャンバ層のためのシール層
２１ シール層の上面
２２ シール層の下面
２０１ チップウィンドウ
２０３ バイオチップの接着ワイヤを収容するためのスペース
３０ バイオチップに接合されたプリント回路基板
３０１ 磁気抵抗バイオチップ
３０２ プリント回路板
３０３ 導電ライン
４０ 溶液インジェクタ

Claims (5)

1. チャネル−チャンバ層と、前記チャネル−チャンバ層のためのシール層と、磁気抵抗バイオチップに接合されたプリント回路基板と、少なくとも１つの流体入口とを含む、溶液リザーバ−ポンプチャンバを有するマイクロ流体カートリッジにおいて、
   前記チャネル−チャンバ層に、廃棄物リザーバ、反応−検出チャンバ、少なくとも１つの溶液リザーバ−ポンプチャンバ及び少なくとも１つのマイクロチャネルが設けられ、前記廃棄物リザーバが廃棄物出口を有し、且つ、前記反応−検出チャンバに前記マイクロチャネルを介して連通し、前記反応−検出チャンバの他方のポートが前記溶液リザーバ−ポンプチャンバ及び前記溶液リザーバ−ポンプチャンバの前記流体入口に、前記マイクロチャネルを介して連通し、
   前記溶液リザーバ−ポンプチャンバが、試料リザーバ及び試薬リザーバを含み、前記試料リザーバ及び前記試薬リザーバの各々が、円筒状チャンバと、前記円筒状チャンバ内の液体のシール及び汲み出しのために用いられる２つの弾性要素とを有し、
   前記円筒状チャンバが、上部、中間部、及び下部を含み、前記下部が前記マイクロチャネルと流体連通しており、前記上部の直径が前記中間部及び下部の直径よりも大きく、且つ、前記下部の直径が前記中間部の直径以上であり、
   前記２つの弾性要素の一方が前記上部の前記直径よりも大きい直径を有し、前記２つの弾性要素の他方が前記中間部の前記直径よりも大きく、前記下部よりも小さい直径を有し、
   前記２つの弾性要素は、外部のアクチュエータにより推進された前記２つの弾性要素の一方によって圧力をかけられた前記液体によって前記２つの弾性要素の他方が前記下部内に追い込まれるときに、前記溶液リザーバ−ポンプチャンバ内の前記液体が前記下部を通って流出するように前記円筒状チャンバ内に配置されており、
   前記シール層と前記チャネル−チャンバ層とが、前記廃棄物リザーバ、前記反応−検出チャンバ、前記シール可能な溶液入口、前記溶液リザーバ−ポンプチャンバ、及び前記マイクロチャネルを完全に形成するように位置合わせ及びシールされ、
   チップウィンドウが、前記チャネル−チャンバ層内の前記反応−検出チャンバの位置に対応する、前記シール層の位置に形成され、前記チップウィンドウが、前記反応−検出チャンバと、前記プリント回路基板上の前記磁気抵抗バイオチップとの間で位置合わせ及びシールされて、前記磁気抵抗バイオチップの表面を反応及び検出面とする完全な反応−検出チャンバを形成し、
   前記磁気抵抗バイオチップの前記反応及び検出面が、バイオチップを形成するように生体機能を有し、前記バイオチップが、前記マイクロ流体カートリッジの外部の検査装置に前記プリント回路基板上の複数の導電ラインにより接続されることを特徴とするマイクロ流体カートリッジ。
2. 前記弾性要素が弾性回転楕円体又は弾性シリンダである請求項１に記載のマイクロ流体カートリッジ。
3. 前記弾性回転楕円体が前記円筒状チャンバの直径よりもわずかに大きい直径を有し、前記弾性回転楕円体がアクチュエータにより駆動されるとき、前記円筒状チャンバ内の前記液体を押し出して前記円筒状チャンバをシールする請求項２に記載のマイクロ流体カートリッジ。
4. 磁気抵抗バイオチップに接合された前記プリント回路基板が、プリント回路基板、磁気抵抗バイオチップ、及び、前記バイオチップを外部テスタに接続する導電ラインを含む請求項１に記載のマイクロ流体カートリッジ。
5. 前記シール可能な溶液入口の表面がシール材料によりシールされている請求項１に記載のマイクロ流体カートリッジ。

Images