JP6636686B2

JP6636686B2 - 流体取扱装置の取扱方法

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Publication number: JP6636686B2
Application number: JP2014141379A
Authority: JP
Inventors: 隼仁井上
Original assignee: Enplas Corp
Current assignee: Enplas Corp
Priority date: 2014-07-09
Filing date: 2014-07-09
Publication date: 2020-01-29
Anticipated expiration: 2034-07-09
Also published as: US9987630B2; JP2016017877A; US20160008806A1

Description

本発明は、流体取扱装置の取扱方法に関する。

近年、タンパク質や核酸などの微量な物質の分析を高精度かつ高速に行うために、マイクロ流路チップが使用されている。マイクロ流路チップは、試薬および試料の量が少なくてよいという利点を有しており、臨床検査や食物検査、環境検査などの様々な用途での使用が期待されている。

マイクロ流路チップで分析する液体を所定の位置で停止させるために、マイクロ流路チップの流路内にストップバルブを設けることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載のマイクロ流路チップは、分析する液体を流す流路と、流路の上流側に配置され、流路に液体を導入するための導入部と、流路の下流側に配置され、流路から液体を排出するための排出部と、流路内に配置され、液体の流路内での移動を制御するストップバルブとを有する。ストップバルブは、液体の進行方向に対して垂直な流路の断面に狭窄部を設けることにより構成されている。

特許文献１に記載のマイクロ流路チップでは、導入部に液体を滴下して毛細管現象により、流路内を液体で満たすようになっている。そして、進行する液体の先端がストップバルブに到達することで、導入部からストップバルブまでを液体で満たすようにしている。このとき、液体の先端は、ストップバルブによりばらつきのない界面となっている。

特開２０１３−０６８５４６号公報

特許文献１に記載のマイクロ流路チップには、検査目的に応じて様々な粘度の液体を導入することが考えられる。たとえば、高粘度の液体を導入部に導入しようとした場合、導入部に滴下した高粘度の液体は、流路に到達した後に毛細管現象で流路内を進行する。よって、所望量の高粘度の液体を導入するためには、長時間を要してしまう。

そこで、本発明の目的は、導入する液体の粘度（特性）に関わらず、短時間で液体を所定の位置まで導入することができる流体取扱装置を提供することである。また、本発明の他の目的は、当該流体取扱装置の取扱方法を提供することである。

本発明の流体取扱装置は、毛細管現象により液体が流れる第１流路と、前記第１流路の上流側に接続され、液体を貯留する液溜部と、前記液溜部に接続され、開口部から前記液溜部に向かうにつれて、その径が小さくなるテーパ部を含む液体導入部と、前記第１流路の下流端に配置され、液体の流れる方向に直交する方向の流路断面積が不連続に大きくなる段部を含むストップバルブと、前記第１流路の下流端が接続され、流体が流れる第２流路とを有する。

本発明の流体取扱装置の取扱方法は、毛細管現象により液体が流れる第１流路と、前記第１流路の上流側に接続され、液体を貯留する液溜部と、前記液溜部に接続され、開口部から前記液溜部に向かうにつれて、その径が小さくなるテーパ部を含む液体導入部と、前記第１流路の下流端に配置され、液体の流れる方向に直交する方向の流路断面積が不連続に大きくなる段部を含むストップバルブと、前記第１流路の下流端が接続され、流体が流れる第２流路とを有する、流体取扱装置の取扱方法であって、前記液体導入部にピペットチップを挿入するとともに、前記ピペットチップを前記テーパ部に密着させた状態で、前記ピペットチップから前記液溜部および前記第１流路の一部に液体を圧入する工程と、前記液体導入部から前記ピペットチップを取り外し、前記第１流路内の液体を毛細管現象により前記ストップバルブまで進行させる工程と、を有し、前記液溜部の容積をＡ、前記第１流路の容積をＢ、前記ピペットチップから圧入される液体の体積をＣとするとき、Ａ＜Ｃ＜Ａ＋Ｂ、を満たす。

本発明によれば、導入する液体の粘度（特性）に関わらず、短時間で任意の粘度の液体を所定の位置まで導入できる流体取扱装置を提供することができる。たとえば、本発明によれば、短時間で臨床検査や食物検査、環境検査などを行うことができる。

図１Ａ〜Ｃは、本発明の一実施の形態に係るマイクロ流路チップの構成を示す図である。図２Ａ〜Ｃは、マイクロ流路チップの断面図である。図３Ａ〜Ｄは、基板の構成を示す図である。図４は、マイクロ流路チップの取扱方法を説明するための図である。図５Ａ〜Ｄは、マイクロ流路チップの取扱方法を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明では、本発明の流体取扱装置の代表例として、マイクロ流路チップについて説明する。

（マイクロ流路チップの構成）
図１〜図３は、本発明の一実施の形態に係るマイクロ流路チップ１００の構成を示す図である。図１Ａは、マイクロ流路チップ１００の平面図であり、図１Ｂは、側面図であり、図１Ｃは、正面図である。図２Ａは、図１Ａに示されるＡ−Ａ線の断面図であり、図２Ｂは、図１Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図であり、図２Ｃは、図２Ａに示される破線で示された領域の部分拡大断面図である。図３Ａは、基板１１０の平面図であり、図３Ｂは、底面図であり、図３Ｃは、正面図であり、図３Ｄは、側面図である。

図１および図２に示されるように、マイクロ流路チップ１００は、基板１１０およびフィルム１２０から構成されている。また、マイクロ流路チップ１００は、第１流路１３０、液溜部１４０、液体導入部１５０、ストップバルブ１６０、第２流路１７０、流体導入部１８０および流体排出部１９０を有する。

第１流路１３０は、液体を流すための流路である。第１流路１３０に導入される液体の種類は、特に限定されない。液体の例には、試薬や液体試料などが含まれる。また、第１流路１３０に導入される液体の粘度も、第１流路１３０内を毛細管現象で進行可能であれば特に限定されない。

第１流路１３０の上流端部には、導入する液体を貯留する液溜部１４０が接続されている。また、第１流路１３０の下流端には、液体の進行を止めるストップバルブ１６０が配置されている。さらに、第１流路１３０の下流端は、第２流路１７０の内側壁に開口している。

第１流路１３０は、毛細管現象により液体が移動可能な流路である。第１流路１３０の断面積および断面形状は、毛細管現象により液体が移動可能であれば特に限定されない。第１流路１３０の断面形状は、例えば一辺の長さ（幅および深さ）が数μｍから数ｍｍ程度の略矩形である。本実施の形態では、第１流路１３０は、幅が１．０ｍｍ、深さが０．１ｍｍ、断面積が０．１ｍｍ^２、容積が１．２μＬである。なお、本明細書において、「流路の断面」とは、液体（流体）が流れる方向に直交する流路の断面を意味する。

液溜部１４０は、第１流路１３０の上流端に接続されている。液溜部１４０は、一時的に液体を貯留する。液溜部１４０の上流端は液体導入部１５０に連通されており、液溜部１４０の下流端は第１流路１３０に接続されている。液溜部１４０と液体導入部１５０との接続部での液体の流れる方向に直交する方向において、接続部の液溜部１４０側の開口面積は、液溜部１４０の断面積より小さいことが好ましい。また、液溜部１４０は、前述した断面積の要件を満たし、かつ所定量の液体を一時的に貯留することができれば、その形状、容積などは特に限定されず、目的に応じて適宜設定される。本実施の形態では、液溜部１４０の形状は円柱形状であり、液溜部１４０の容積は１．６μＬである。

液体導入部１５０は、第１流路１３０および液溜部１４０に液体を導入するための導入口である。液体導入部１５０は、上流側の第１テーパ部１５１と、第１テーパ部１５１の下流端に接続された下流側の第２テーパ部１５２とを有する。

第１テーパ部１５１は、マイクロピペットのマイクロチップ２００などを液体導入部１５０に挿入するためのガイドとして機能する。第１テーパ部１５１は、液体導入部１５０の上流側に配置されている。第１テーパ部１５１は、上流端が外部に開放されており、下流端が第２テーパ部１５２に接続されている。第１テーパ部１５１は、上流端の開口部から第２テーパ部１５２（または液溜部１４０）に向かうにつれて、その径が徐々に小さくなるように形成されている。第１テーパ部１５１の中心軸に対する傾斜角度は特に限定されない。本実施の形態では、第１テーパ部１５１の中心軸に対する傾斜角度は、３７°である。

第２テーパ部１５２は、液体導入部１５０の下流側に配置されている。第２テーパ部１５２の上流端は、第１テーパ部１５１の下流端に接続されており、第２テーパ部１５２の下流端は、液溜部１４０に接続されている。第２テーパ部１５２は、第１テーパ部１５１よりも中心軸に対する傾斜角度が小さく設定され、マイクロピペットのマイクロチップ２００をフィットさせる機能を発揮する。本実施の形態では、第２テーパ部１５２の中心軸に対する角度は、２°である。第２テーパ部１５２の軸方向の長さは特に限定されず、使用するマイクロチップ２００などに応じて適宜設定される。マイクロチップ２００は、その先端が液溜部１４０に到達せずに第２テーパ部１５２内で止まるような直径（内径）および軸方向の長さで形成されることが好ましい。

ストップバルブ１６０は、第１流路１３０の下流端に配置されており、毛細管現象により第１流路１３０を進行してきた液体を停止させる。ストップバルブ１６０は、液体の流れる方向に直交する方向の断面積が不連続に大きくなる段部１３３を含む。

段部１３３は、第１流路１３０を進行してきた液体が停止する程度に大きく形成されていれば、特に限定されない。本実施の形態では、第１流路１３０の天面の下流端に突起部１３１を形成して局所的に断面積が小さい部分を形成し、突起部１３１より下流側が段部１３３となっている。

第２流路１７０は、試薬などの液体や気体などの流体を流すための流路である。第２流路１７０の上流端部には、流体を導入するための流体導入部１８０が接続されており、第２流路１７０の下流端部には、導入した流体を排出するための流体排出部１９０が接続されている。また、第２流路１７０には、第１流路１３０の下流端が合流している。

第２流路１７０の断面積および断面形状は、特に限定されない。たとえば、第２流路１７０は、流体が毛細管現象により移動可能な流路である。この場合、第２流路１７０の断面形状は、例えば一辺の長さ（幅および深さ）が数μｍから数ｍｍ程度の略矩形である。本実施の形態では、第２流路１７０は、幅１．０ｍｍ、深さ０．１ｍｍ、断面積が０．１ｍｍ^２、容積が２．０μＬである。

次いで、流体導入部１８０および流体排出部１９０について説明する。流体導入部１８０および流体排出部１９０は、同じ構造である。

流体導入部１８０は、流体を第２流路１７０に導入するための導入口である。流体導入部１８０の下流端は、第２流路１７０の上流端に連通している。流体導入部１８０は、上流側の第３テーパ部１８１と、第３テーパ部１８１に連通した下流側の第４テーパ部１８２とを有する。

第３テーパ部１８１は、たとえば、マイクロピペットのマイクロチップ２００などを流体導入部１８０に挿入するためのガイドとして機能する。第３テーパ部１８１は、流体導入部１８０の上流側に配置されている。第３テーパ部１８１は、上流端の開口部から第２流路１７０（第４テーパ部１８２）に向かうにつれて、その径が小さくなるように形成されている。

第４テーパ部１８２は、流体導入部１８０の下流側に配置されている。第４テーパ部１８２には、たとえば、マイクロピペットのマイクロチップ２００などが隙間なく挿入され、マイクロチップ２００の先端部がフィットする。第４テーパ部１８２の上流端は、第３テーパ部１８１の下流端に連通しており、第４テーパ部１８２の下流端は、第２流路１７０に連通している。

流体排出部１９０は、流体を第２流路１７０から排出するための排出口である。流体排出部１９０は、第１流路１３０に液体を導入する時、および第２流路１７０に流体を導入する時の空気穴としても機能する。流体排出部１９０の上流端は、第２流路１７０の下流端に連通している。流体排出部１９０は、下流側の第３テーパ部１８１と、第３テーパ部１８１に連通した上流側の第４テーパ部１８２とを有する。

図３は、基板１１０の構成を示す図である。図３Ａは、基板１１０の平面図であり、図３Ｂは、底面図であり、図３Ｃは、正面図であり、図３Ｄは、側面図である。

図３に示されるように、基板１１０は、透明な略矩形の樹脂基板である。基板１１０は、突起部１３１が配置された第１溝１１１、第２溝１１２、第１凹部１１３、流体導入部１８０および流体排出部１９０を有する。第１溝１１１の一端（上流端）は、第１凹部１１３に連通しており、第１溝１１１の他端（下流端）は、第２溝１１２に連通している。第２溝１１２の一端（上流端）は、流体導入部１８０に連通しており、第２溝１１２の他端（下流端）は、流体排出部１９０に連通している。第１溝１１１、第２溝１１２および第１凹部１１３が形成された面と反対側の面には、液体導入部１５０、流体導入部１８０および流体排出部１９０が配置されている。

液体導入部１５０、流体導入部１８０および流体排出部１９０が配置されていない領域における基板１１０の厚さは、特に限定されない。当該領域における基板１１０の厚さは、例えば１〜１０ｍｍの範囲内である。また、基板１１０を構成する樹脂の種類は、特に限定されず、公知の樹脂から適宜選択されうる。基板１１０を構成する樹脂の例には、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、塩化ビニール、ポリプロピレン、ポリエーテル、ポリエチレン、ポリスチレン、シリコーン樹脂、エラストマーなどが含まれる。

第１溝１１１、第２溝１１２および第１凹部１１３の開口部がフィルム１２０で塞がれることによって、第１流路１３０、第２流路１７０、ストップバルブ１６０および液溜部１４０が形成される。

フィルム１２０は、透明な略矩形の樹脂フィルムである。フィルム１２０は、基板１１０の第１溝１１１、第２溝１１２および第１凹部１１３が形成された面に貼り付けられている。フィルム１２０を構成する樹脂の種類は、第１流路１３０が毛細管現象で液体を進行させることができる表面（流路内壁となる面）、基板１１０への密着強度、様々な工程で課される熱履歴や試薬への耐性を確保することができれば特に限定されず、公知の樹脂から適宜選択されうる。フィルム１２０を構成する樹脂の例は、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、塩化ビニール、ポリプロピレン、ポリエーテル、ポリエチレン、ポリスチレン、シリコーン樹脂などが含まれる。フィルム１２０の厚さは、前述の機能を発揮することができれば特に限定されず、樹脂の種類（剛性）に応じて適宜設定されうる。本実施の形態では、フィルム１２０の厚さは、２０μｍ程度である。

（マイクロ流路チップの作製方法）
例えば、基板１１０は、前述した樹脂を用いた射出成形法により作製されうる。そして、マイクロ流路チップ１００は、作製した基板１１０の第１溝１１１、第２溝１１２および第１凹部１１３が形成された面に対してフィルム１２０を熱圧着によって接合することによって作製されうる。

（マイクロ流路チップの取扱方法）
次に、マイクロ流路チップ１００の取扱方法（使用方法）について説明する。図４および図５は、マイクロ流路チップ１００の使用方法を説明するための図である。図４は、マイクロチップを液体導入部１５０に挿入した様子を示す断面図である。図５Ａ〜Ｄは、マイクロ流路チップに２種類の液体を導入する過程を示す図である。なお、図５では、第１流路１３０、ストップバルブ１６０および第２流路１７０のみ示している。

図４に示されるように、まず、液体が充填されたマイクロピペットのマイクロチップ２００を液体導入部１５０に挿入する。具体的には、第１テーパ部１５１をガイドとして、マイクロチップ２００の先端を第２テーパ部１５２に向かって導く。そして、マイクロチップ２００の先端が第２テーパ部１５２に到達したら、マイクロチップ２００を液溜部１４０に向かって圧入する。このとき、マイクロチップ２００の外周面と第２テーパ部１５２とが密着して、マイクロチップ２００が液体導入部１５０に固定される。

次いで、外部からの圧力によりマイクロチップ２００内の液体を液溜部１４０および第１流路１３０に導入する。導入する液体の液量Ｃは、液溜部１４０の容積をＡとし、第１流路１３０の容積をＢとしたとき、Ａ＜Ｃ＜Ａ＋Ｂを満たす量である。具体的には、まず液溜部１４０が液体で満たされていく。液溜部１４０が液体で満たされた状態で、さらに液体を導入すると、液体は、第１流路１３０を満たし始める。液体が第１流路１３０をある程度進行したところで液体の導入を停止する（図５Ａ参照）。このとき、液体導入部１５０側がマイクロチップ２００によって密閉されているため、第１流路１３０の液体が毛細管現象により進行することはない。

次いで、マイクロチップ２００を第１テーパ部１５１から取り外す。これにより、液体導入部１５０側が開放されるため、第１流路１３０内の液体は、毛細管現象によってストップバルブ１６０（下流）に向かって進行するとともに、液溜部１４０内の液体が第１流路１３０内に引き込まれる。第１流路１３０内を進行した液体は、第１流路１３０の断面積が急激に大きくなるストップバルブ１６０の段部１３３の下流端で停止する（図５Ｂ参照）。このとき、ストップバルブ１６０で停止した液体の先端は、ばらつきなく、適切な界面となる。

次いで、第２流路１７０に液体を導入する。液体が充填されたマイクロピペットのマイクロチップ２００を流体導入部１８０に挿入する。具体的には、第３テーパ部１８１をガイドとして、マイクロチップ２００の先端を第４テーパ部１８２に向かって導く。そして、マイクロチップ２００の先端が第４テーパ部１８２に到達したら、マイクロチップ２００を第２流路１７０に向かって圧入する。このとき、マイクロチップ２００の外周面と第４テーパ部１８２と隙間なく密着して、マイクロチップ２００が流体導入部１８０に固定される。

次いで、外部からの圧力または毛細管現象により第２流路１７０を満たすように液体を導入する（図５Ｃ参照）。第２流路１７０内を液体で満たすことにより、第２流路１７０に導入された液体は、第１流路１３０の下流端に形成された液体の表面に接触して液液界面を形成する（図５Ｄ参照）。

以上の手順により、第１流路１３０および第２流路１７０に液体を導入して、特定の位置に液液界面を短時間で形成することができる。この液液界面は、例えば化学反応や分子拡散などに利用されうる。

なお、本実施の形態では、２種類の液体を導入した例を示したが、第２流路１７０に導入する流体は、気体であってもよい。この場合、特定の位置に気液界面を短時間で形成することができる。

（効果）
本実施の形態のマイクロ流路チップ１００は、第１テーパ部１５１を含む液体導入部１５０が液溜部１４０に連通しており、第１流路１３０にはストップバルブ１６０が配置されている。そして、第１流路１３０の途中まで液体を圧入するため、導入する液体の粘度（特性）に関わらず、短時間で液体を所定の位置まで導入することができる。

本発明の流体取扱装置は、例えば、科学分野や医学分野などにおいて使用されるマイクロ流路チップとして有用である。

１００マイクロ流路チップ
１１０基板
１１１第１溝
１１２第２溝
１１３第１凹部
１２０フィルム
１３０第１流路
１３１突起部
１３３段部
１４０液溜部
１５０液体導入部
１５１第１テーパ部
１５２第２テーパ部
１６０ストップバルブ
１７０第２流路
１８０流体導入部
１８１第３テーパ部
１８２第４テーパ部
１９０流体排出部

Claims

毛細管現象により液体が流れる第１流路と、前記第１流路の上流側に接続され、液体を貯留する液溜部と、前記液溜部に接続され、開口部から前記液溜部に向かうにつれて、その径が小さくなるテーパ部を含む液体導入部と、前記第１流路の下流端に配置され、液体の流れる方向に直交する方向の流路断面積を局所的に小さくした後に大きくする突起部を有するストップバルブと、前記第１流路の下流端が接続され、流体が流れる第２流路とを有し、前記第１流路の下流端は、前記第２流路の内壁面に対して垂直となるように当該内壁面に開口している、流体取扱装置の取扱方法であって、
前記液体導入部にピペットチップを挿入するとともに、前記ピペットチップを前記テーパ部に密着させた状態で、前記ピペットチップから前記液溜部および前記第１流路の一部に液体を圧入する工程と、
前記液体導入部から前記ピペットチップを取り外し、前記第１流路内の液体を毛細管現象により前記ストップバルブまで進行させる工程と、を有し、
前記液溜部の容積をＡ、前記第１流路の容積をＢ、前記ピペットチップから圧入される液体の体積をＣとするとき、
Ａ＜Ｃ＜Ａ＋Ｂ、を満たす、
流体取扱装置の取扱方法。