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JP7585960B2 - Method for generating emulsions in microfluidic chips - Google Patents
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Description

本発明は、マイクロ流路チップにおいてエマルジョンを生成する方法に関する。特には、本発明は、液滴アレイ測定をより効率的かつ簡便・迅速に行うことができる方法に関する。 The present invention relates to a method for generating an emulsion in a microfluidic chip. In particular, the present invention relates to a method for performing droplet array measurement more efficiently, simply, and quickly.

反応液を微小区画に分画し独立して反応を行なう技術として、微小液滴中に反応液を分画する微小液滴法が知られている。この手法は、例えばマイクロ・ナノ粒子の作製などに応用が期待されており、特に、マイクロ流体装置を用いて、標的分子を1分子単位で微小区画化し、微小液滴内で反応を行なうことで、標的分子の有無をシグナルの有無で計測し、標的分子の数の絶対定量を行なうデジタル計測に利用されている。 The microdroplet method, in which a reaction solution is fractionated into microdroplets, is known as a technique for dividing a reaction solution into microcompartments and carrying out reactions independently. This method is expected to be applied to, for example, the production of micro- and nano-particles, and is particularly used in digital measurements in which target molecules are divided into microcompartments at the single molecule level using a microfluidic device, reactions are carried out within the microdroplets, and the presence or absence of target molecules is measured by the presence or absence of a signal, resulting in absolute quantification of the number of target molecules.

微小液滴法では、一般に、オイルなどの連続相と、この連続相に分散した水溶液などの液滴とから構成されるエマルジョンが使用される。 The microdroplet method generally uses an emulsion that consists of a continuous phase such as oil and droplets of an aqueous solution dispersed in the continuous phase.

非特許文献1は、遠心ステップ液滴生成法を開示している。当該文献は、装置の注入口にオイルを充填し、このオイルを遠心によって液滴回収室に送った後で、同じ注入口から、サンプル溶液を導入し、遠心によって液滴生成を行うことを記載している。 Non-Patent Document 1 discloses a centrifugal step droplet generation method. The document describes how the inlet of the device is filled with oil, and the oil is sent to a droplet collection chamber by centrifugation. After that, a sample solution is introduced from the same inlet, and droplets are generated by centrifugation.

このような液滴生成法に対して、反応液などの分散相液とオイルなどの連続相液とを、別個の供給部を介してマイクロ流路チップに供給し、チップ内で合流させてエマルジョン生成を行う方法が知られている。 As an alternative to this type of droplet generation method, a method is known in which a dispersed phase liquid such as a reaction liquid and a continuous phase liquid such as an oil are supplied to a microchannel chip via separate supply parts and then merged within the chip to generate an emulsion.

特許文献1は、液滴を生成するためのそのようなシステム及び方法を開示している。当該文献は、生成された液滴を、ピペットチップ又は液滴ウェルからなる出口領域に輸送することを記載している。また、当該文献は、気泡トラップ(エアトラップ)を記載しており、この気泡トラップによって、サンプルとオイルとが、(陰圧又は陽圧などの)流体駆動力の適用までの間、実質的に離され、その後、流体駆動力を適用することによって、サンプルからなる液滴とオイルからなる連続相を有するエマルジョンを形成することを記載している。 US Patent No. 5,399,633 discloses such a system and method for generating droplets. The document describes transporting the generated droplets to an outlet region consisting of a pipette tip or a droplet well. The document also describes an air trap that substantially separates the sample and the oil until application of a fluid driving force (such as negative or positive pressure), which then forms an emulsion having droplets of the sample and a continuous phase of the oil.

また、微小液滴法に関して、近年、装置の簡便化・迅速化の観点から、検出領域に液滴を単層に整列させて簡便にシグナルを測定する液滴アレイ測定が注目されている。 In addition, in recent years, droplet array measurement, which aligns droplets in a single layer in a detection area to easily measure signals, has been attracting attention as a method for simplifying and speeding up the device.

特許文献2及び3は、液滴を形成するための流路及び液滴を保持するための液滴保持部を有するマイクロ流路チップを開示している。特許文献2は、2以上の反応液同士を合流させた後、反応液とは混和しない非混和性液体を接触させることで液滴を形成させることを記載している。特許文献3は、分散相流入部と連続相流入部とから流入した分散相及び連続相を、流路を介して液滴生成部で接触させることで液滴化することを記載している。 Patent Documents 2 and 3 disclose microchannel chips having a flow channel for forming droplets and a droplet holder for holding droplets. Patent Document 2 describes forming droplets by merging two or more reaction liquids and then contacting them with an immiscible liquid that is not miscible with the reaction liquids. Patent Document 3 describes forming droplets by contacting the dispersed phase and continuous phase that flow in from the dispersed phase inlet and continuous phase inlet in a droplet generating section via a flow channel.

非特許文献2は、チップ上で液滴を生成する方法及びそのための装置について記載している。当該文献に記載の方法は、送液前に液滴アレイ部をオイルで充填する操作(充填操作)を含む。 Non-Patent Document 2 describes a method for generating droplets on a chip and an apparatus for doing so. The method described in this document includes an operation of filling the droplet array section with oil (filling operation) before liquid delivery.

欧州特許第2550528号明細書European Patent No. 2550528 特開2019-170363号公報JP 2019-170363 A 特開2020-169911号公報JP 2020-169911 A

Centrifugal step emulsification applied for absolute quantification of nucleic acids by digital droplet RPA, Lab Chip, 2015, 15, 2759-2766Centrifugal step emulsification applied for absolute quantification of nuclear acids by digital droplet RPA, Lab Chip, 2 015, 15, 2759-2766 1-Million droplet array with wide-field fluorescence imaging for digital PCR、Lab on a Chip、2011、11、3838-38451-Million droplet array with wide-field fluorescence imaging for digital PCR, Lab on a Chip, 2011, 11, 3838-3845

従来の方法では、エマルジョンの生成の安定性が不十分である場合があった。 Conventional methods sometimes resulted in insufficient stability in the formation of emulsions.

このようなエマルジョン生成の不安定性の問題は、意図しないエマルジョンの形成により、液滴の大きさが不均一となることによって生じる。したがって、このようなエマルジョン生成の不安定性の問題を解決するためには、従来、特許文献1でのようにして気泡トラップを用いることが必須であると考えられていた。 The problem of instability in emulsion production occurs when the size of droplets becomes non-uniform due to the unintended formation of an emulsion. Therefore, in order to solve the problem of instability in emulsion production, it was previously thought that it was essential to use a bubble trap as in Patent Document 1.

しかしながら、気泡トラップを使用する場合、流路の構造が複雑になること、並びに、気泡トラップのために使用した気泡がエマルジョン内に残留して、この気泡が、流路内でのエマルジョンの流通及びエマルジョンを用いた評価において問題になる場合があることを、見いだした。 However, it was found that when a bubble trap is used, the structure of the flow path becomes complicated, and the bubbles used for the bubble trap remain in the emulsion, which can cause problems in the flow of the emulsion in the flow path and in evaluations using the emulsion.

なお、エマルジョン流路チップを用いてエマルジョンの生成を行う場合には、陰圧送液の方が、陽圧送液よりも、必要となる装置や工程が簡略化されるため、特に自動化の観点から好ましい。 When generating emulsions using an emulsion channel chip, negative pressure liquid transfer is preferable from the perspective of automation, as it requires simpler equipment and processes than positive pressure liquid transfer.

一方で、陰圧を用いる場合には、流路中に発生した気泡を除去することが容易でない場合がある。より具体的には、陽圧を用いる場合には、連続相液及び分散相液それぞれに対して直接に圧力を印加することができるのに対して、陰圧を用いる場合には、分散相液に対して直接に圧力を及ぼすことが容易でないため、例えば分散溶液中に発生した気泡を取り除くことが比較的困難となる場合がある。流路内に気体と液体とが混在する場合には、流速の安定化に時間がかかり、結果として、検出対象となるサンプルのロスにつながることもある。 On the other hand, when negative pressure is used, it may not be easy to remove air bubbles that have formed in the flow path. More specifically, when positive pressure is used, pressure can be applied directly to both the continuous phase liquid and the dispersed phase liquid, whereas when negative pressure is used, it is not easy to apply pressure directly to the dispersed phase liquid, so it may be relatively difficult to remove air bubbles that have formed in the dispersed solution, for example. When gas and liquid are mixed in the flow path, it takes time to stabilize the flow rate, which may result in a loss of the sample to be detected.

したがって、本発明では、連続相液と分散相液とを別個にマイクロ流路チップに供給して陰圧で送液する方法において、気泡トラップを用いずにエマルジョンを安定して形成する改善されたエマルジョン生成方法を提供することを目的としている。 Therefore, the present invention aims to provide an improved emulsion generation method that stably forms an emulsion without using a bubble trap in a method in which a continuous phase liquid and a dispersed phase liquid are supplied separately to a microchannel chip and transported under negative pressure.

本発明に係る上記の課題は、本発明に係る下記の態様によって解決することができる。
<態様1>
マイクロ流路チップに分散相液及び連続相液を供給してエマルジョンの生成を行う方法であって、
前記マイクロ流路チップが、分散相液保持部、分散相液流路、連続相液保持部、連続相液流路、エマルジョン形成部、エマルジョン流路、及び排出口を有しており、
前記分散相液保持部が、前記分散相液流路を介して、前記エマルジョン形成部に接続しており、
前記連続相液保持部が、前記連続相液流路を介して、前記エマルジョン形成部に接続しており、
前記エマルジョン形成部が、前記エマルジョン流路を介して、前記排出口に接続しており、
前記分散相液保持部に、分散相液を供給すること、
前記連続相液保持部に、連続相液を供給すること、及び、
前記排出口への陰圧の適用によって、前記エマルジョン形成部において、前記分散相液から構成される液滴及び前記連続相液から構成される連続相を含むエマルジョンを生成し、このようにして生成された前記エマルジョンを、前記エマルジョン流路に進入させること、
を含み、
前記陰圧の前記適用の前に、前記分散相液と、前記連続相液とを、前記エマルジョン形成部又はその上流で、気泡トラップを介さずに接触させること、及び、
前記接触の後30秒以内に、前記陰圧の適用を行うこと、
を特徴とする、方法。
<態様2>
前記排出口に、陰圧制御手段が流体接続されており、
前記陰圧制御手段が、陰圧源、接続部及び弁から構成されており、
前記陰圧源が、一定の陰圧に制御されており、
前記接続部が、前記排出口に前記陰圧制御手段を流体接続するためのものであり、かつ
前記弁が、前記陰圧源と前記接続部との間に配置されている、
態様1に記載の方法。
<態様3>
前記分散相液及び前記連続相液の前記接触の前に、前記排出口に前記陰圧制御手段が流体接続されていることを特徴とする、態様2に記載の方法。
<態様4>
前記排出口を外部大気に接続することによって、前記陰圧の適用を停止することを特徴とする、態様1~3のいずれか一項に記載の方法。
<態様5>
外部送液駆動力なしでも前記分散相液と前記連続相液とが接触することができる程度に、前記エマルジョン形成部及びその上流の流路抵抗が十分に小さい、態様1~4のいずれか一項に記載の方法。
<態様6>
前記接触の前に、
前記分散相液を、気体で充填された状態の前記分散相液流路を通して前記エマルジョン形成部にまで移動させ、かつ、
前記連続相液を、気体で充填された状態の前記連続相液流路を通して前記エマルジョン形成部にまで移動させること
を特徴とする、態様1~5のいずれか一項に記載の方法。
<態様7>
前記分散相液及び/又は前記連続相液を、毛細管力及び/又は液面差圧によって移動させる、態様6に記載の方法。
<態様8>
前記排出口に陰圧を印加し、それにより、前記接触の前に、前記分散相液を、気体で充填された状態の前記分散相液流路を通して前記エマルジョン形成部にまで移動させることを特徴とする、態様6又は7に記載の方法。
<態様9>
前記接触の前に、前記連続相液を、気体で充填された状態の前記連続相液流路、前記エマルジョン形成部、及び前記分散相液流路を通して、前記分散相液保持部にまで移動させることを特徴とする、態様1~5のいずれか一項に記載の方法。
<態様10>
前記連続相液を、毛細管力及び/又は液面差圧によって移動させる、態様9に記載の方法。
<態様11>
前記マイクロ流路チップが、エマルジョン保持流路をさらに有しており、
前記エマルジョン形成部が、前記エマルジョン流路を介して、前記エマルジョン保持流路に接続しており、かつ、前記エマルジョン保持流路が、前記排出口に接続しており、
前記排出口に陰圧を適用することによって、前記エマルジョン形成部において、前記分散相液から構成される液滴及び前記連続相液から構成される連続相を含むエマルジョンを生成し、このようにして生成された前記エマルジョンを、前記エマルジョン流路を介して、気体で充填された状態の前記エマルジョン保持流路に輸送すること、
を含む、態様1~10のいずれか一項に記載の方法。
<態様12>
前記排出口に適用される前記陰圧の大きさが、30kPa以下であることを特徴とする、態様11に記載の方法。
<態様13>
前記エマルジョン形成部における前記エマルジョンの生成速度が、5液滴/秒以上であることを特徴とする、態様11又は12に記載の方法。
The above-mentioned problems of the present invention can be solved by the following aspects of the present invention.
<Aspect 1>
A method for producing an emulsion by supplying a dispersed phase liquid and a continuous phase liquid to a microchannel chip, comprising the steps of:
the microchannel chip has a dispersed phase liquid holding section, a dispersed phase liquid flow path, a continuous phase liquid holding section, a continuous phase liquid flow path, an emulsion forming section, an emulsion flow path, and an outlet;
the dispersed phase liquid holding unit is connected to the emulsion forming unit via the dispersed phase liquid flow path,
the continuous phase liquid holding unit is connected to the emulsion forming unit via the continuous phase liquid flow path,
the emulsion forming section is connected to the outlet through the emulsion flow path,
Supplying a dispersed phase liquid to the dispersed phase liquid holding unit;
Supplying a continuous phase liquid to the continuous phase liquid holding section; and
generating an emulsion including droplets composed of the dispersed phase liquid and a continuous phase composed of the continuous phase liquid in the emulsion forming section by applying a negative pressure to the outlet, and allowing the emulsion thus generated to enter the emulsion flow path;
Including,
contacting the dispersed phase liquid with the continuous phase liquid at or upstream of the emulsion formation section without using a bubble trap prior to the application of the negative pressure; and
administering said application of negative pressure within 30 seconds after said contact;
A method comprising:
<Aspect 2>
A negative pressure control means is fluidly connected to the outlet;
The negative pressure control means comprises a negative pressure source, a connection and a valve;
The negative pressure source is controlled to a constant negative pressure,
the connection is for fluidly connecting the negative pressure control means to the outlet, and the valve is disposed between the negative pressure source and the connection.
The method according to aspect 1.
<Aspect 3>
3. The method of claim 2, wherein the negative pressure control means is fluidly connected to the outlet prior to the contacting of the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid.
<Aspect 4>
4. The method according to any one of the preceding aspects, characterized in that the application of negative pressure is stopped by connecting the outlet to the outside atmosphere.
<Aspect 5>
A method according to any one of aspects 1 to 4, wherein the flow resistance of the emulsion formation section and the flow path upstream thereof is sufficiently small so that the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid can come into contact with each other without an external liquid-transport driving force.
<Aspect 6>
Prior to said contacting,
The dispersed phase liquid is moved to the emulsion forming section through the dispersed phase liquid flow path filled with gas, and
A method according to any one of the preceding aspects, characterized in that the continuous phase liquid is moved to the emulsion forming section through the continuous phase liquid flow path in a gas-filled state.
<Aspect 7>
7. The method of claim 6, wherein the dispersed phase liquid and/or the continuous phase liquid are moved by capillary forces and/or liquid level differential pressure.
<Aspect 8>
A method according to claim 6 or 7, characterized in that a negative pressure is applied to the outlet, thereby moving the dispersed phase liquid through the dispersed phase liquid flow path filled with gas to the emulsion forming section prior to the contacting.
<Aspect 9>
A method according to any one of aspects 1 to 5, characterized in that, prior to the contacting, the continuous phase liquid is moved through the continuous phase liquid flow path, the emulsion forming section, and the dispersed phase liquid flow path, all of which are filled with gas, to the dispersed phase liquid holding section.
<Aspect 10>
10. The method of claim 9, wherein the continuous phase liquid is moved by capillary forces and/or liquid head pressure differentials.
<Aspect 11>
the microchannel chip further has an emulsion-holding channel,
the emulsion forming section is connected to the emulsion holding flow path via the emulsion flow path, and the emulsion holding flow path is connected to the discharge port,
applying a negative pressure to the outlet, in the emulsion forming section, to generate an emulsion containing droplets composed of the dispersed phase liquid and a continuous phase composed of the continuous phase liquid, and transporting the emulsion thus generated through the emulsion flow path to the emulsion holding flow path filled with gas;
11. The method of any one of aspects 1 to 10, comprising:
<Aspect 12>
12. The method of claim 11, wherein the magnitude of the negative pressure applied to the outlet is 30 kPa or less.
<Aspect 13>
13. The method according to claim 11 or 12, wherein a production speed of the emulsion in the emulsion forming section is 5 droplets/second or more.

本発明によれば、連続相液と分散相液とを別個にマイクロ流路チップに供給する方法において、気泡トラップを用いずにエマルジョンを安定して形成する改善されたエマルジョン生成方法を提供することができる。 The present invention provides an improved emulsion generation method that stably forms an emulsion without using a bubble trap in a method for supplying a continuous phase liquid and a dispersed phase liquid separately to a microchannel chip.

図1は、本開示の方法に係るマイクロ流路チップの1つの実施態様の平面概略図である。FIG. 1 is a schematic plan view of one embodiment of a microchannel chip according to the method of the present disclosure. 図2は、本開示の方法に係るマイクロ流路チップの別の実施態様の平面概略図である。FIG. 2 is a schematic plan view of another embodiment of a microchannel chip according to the method of the present disclosure. 図3は、本開示に係る分散相液保持部の1つの実施態様を示す断面概略図である。FIG. 3 is a cross-sectional schematic diagram showing one embodiment of a dispersed phase liquid retaining portion according to the present disclosure.

≪エマルジョンを生成する方法≫
本開示に係る方法は、マイクロ流路チップに分散相液及び連続相液を供給してエマルジョンの生成を行う方法であって、
マイクロ流路チップが、分散相液保持部、分散相液流路、連続相液保持部、連続相液流路、エマルジョン形成部、エマルジョン流路、及び排出口を有しており、
分散相液保持部が、分散相液流路を介して、エマルジョン形成部に接続しており、
連続相液保持部が、連続相液流路を介して、エマルジョン形成部に接続しており、
エマルジョン形成部が、エマルジョン流路を介して、排出口に接続しており、
分散相液保持部に、分散相液を供給すること、
連続相液保持部に、連続相液を供給すること、及び、
排出口への陰圧の適用によって、エマルジョン形成部において、分散相液から構成される液滴及び連続相液から構成される連続相を含むエマルジョンを生成し、このようにして生成されたエマルジョンを、前記エマルジョン流路に進入させること、
を含み、
陰圧の適用の前に、分散相液と、連続相液とを、エマルジョン形成部又はその上流で、気泡トラップを介さずに接触させること、及び、
接触の後30秒以内に、陰圧の適用を行うこと、を特徴とする。
<Method of producing emulsion>
The method according to the present disclosure is a method for generating an emulsion by supplying a dispersed phase liquid and a continuous phase liquid to a microchannel chip, comprising the steps of:
the microchannel chip has a dispersed phase liquid holding section, a dispersed phase liquid flow path, a continuous phase liquid holding section, a continuous phase liquid flow path, an emulsion forming section, an emulsion flow path, and an outlet;
the dispersed phase liquid holding section is connected to the emulsion forming section via a dispersed phase liquid flow path,
the continuous phase liquid holding section is connected to the emulsion forming section via a continuous phase liquid flow path;
the emulsion forming section is connected to the outlet through an emulsion flow path,
Supplying a dispersed phase liquid to a dispersed phase liquid holding unit;
Supplying a continuous phase liquid to a continuous phase liquid holding section; and
generating an emulsion including droplets composed of a dispersed phase liquid and a continuous phase composed of a continuous phase liquid in an emulsion forming section by applying a negative pressure to an outlet, and allowing the emulsion thus generated to enter the emulsion flow path;
Including,
contacting the dispersed phase liquid with the continuous phase liquid at or upstream of the emulsion formation section without using a bubble trap prior to the application of negative pressure; and
The application of negative pressure is performed within 30 seconds of contact.

本開示に係る方法では、陰圧を印加する前に、分散相液と連続相液とを気泡トラップを介さずに接触させるので、気泡の発生が抑制されている。 In the method disclosed herein, the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid are brought into contact without using a bubble trap before applying negative pressure, thereby suppressing the generation of bubbles.

また、本発明では、分散相液と連続相液とを接触させた後、一定時間内に外部送液駆動力を適用して送液を開始することによって、気泡トラップを用いないにも関わらず、液滴の均一性を確保してエマルジョン形成の不安定化の問題を解決することができる。したがって、本発明によれば、サンプル溶液等のロスの低減、及び高精度の検出反応等を実現することが可能である。 In addition, in the present invention, after the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid are brought into contact with each other, an external liquid-transport driving force is applied within a certain period of time to start the liquid transport, thereby ensuring the uniformity of the droplets and solving the problem of instability in emulsion formation, even without using a bubble trap. Therefore, according to the present invention, it is possible to reduce the loss of sample solution, etc., and realize highly accurate detection reactions, etc.

図1に示すマイクロ流路チップを用いて、本発明を具体的に説明する。なお、図1のマイクロ流路チップは例示的な実施態様の概略図であり、本発明に係る方法は、この実施態様に限られず、種々のマイクロ流路チップで実施することができる。図1は、理解を容易にするための概略図であり、縮尺どおりではない。 The present invention will be specifically described using the microchannel chip shown in FIG. 1. Note that the microchannel chip in FIG. 1 is a schematic diagram of an exemplary embodiment, and the method according to the present invention is not limited to this embodiment and can be carried out with various microchannel chips. FIG. 1 is a schematic diagram for ease of understanding and is not drawn to scale.

図1のマイクロ流路チップ10は、平面型の構成を有しており、すなわち、エマルジョンの生成及び輸送が、実質的に1つの平面内で行われるようになっている。図1の方向Wは、幅方向を示しており、方向Lは、長さ方向を示している。W及びLに垂直な方向が、鉛直方向である。図1のマイクロ流路チップ10は、第一分散相液保持部102、第二分散相液保持部103、分散相液流路117、連続相液保持部101、連続相液流路111、エマルジョン形成部120、エマルジョン流路130、及び排出口を150有している。分散相液保持部102、103が、第一及び第二分散相液流路114、115を介して、エマルジョン形成部120に接続しており、連続相液保持部101が、連続相液流路111を介して、エマルジョン形成部120に接続している。図1に係る態様では、分散相液流路117が、第一分散相液流路114、第二分散相液流路115、及び分散相液合流部116を有しており、連続相液流路111が、第一連続相液流路112及び第二連続相液流路113を有している。エマルジョン形成部120が、エマルジョン流路130を介して、排出口150に接続している。 The microchannel chip 10 in FIG. 1 has a planar configuration, i.e., the generation and transport of the emulsion are substantially performed within one plane. The direction W in FIG. 1 indicates the width direction, and the direction L indicates the length direction. The direction perpendicular to W and L is the vertical direction. The microchannel chip 10 in FIG. 1 has a first dispersed phase liquid holding portion 102, a second dispersed phase liquid holding portion 103, a dispersed phase liquid flow path 117, a continuous phase liquid holding portion 101, a continuous phase liquid flow path 111, an emulsion forming portion 120, an emulsion flow path 130, and an outlet 150. The dispersed phase liquid holding portions 102 and 103 are connected to the emulsion forming portion 120 via the first and second dispersed phase liquid flow paths 114 and 115, and the continuous phase liquid holding portion 101 is connected to the emulsion forming portion 120 via the continuous phase liquid flow path 111. In the embodiment shown in FIG. 1, the dispersed phase liquid flow path 117 has a first dispersed phase liquid flow path 114, a second dispersed phase liquid flow path 115, and a dispersed phase liquid junction 116, and the continuous phase liquid flow path 111 has a first continuous phase liquid flow path 112 and a second continuous phase liquid flow path 113. The emulsion forming section 120 is connected to the discharge port 150 via the emulsion flow path 130.

本開示に係る方法によれば、検出対象となる物質を含有する水溶性反応液などの分散相液を、分散相液保持部102、103に供給し、オイルなどの連続相液を、連続相液保持部101に供給する。この時点で、マイクロ流路チップ10の各流路には、気体(特には空気)が充填されている(すなわち、「空」のマイクロ流路チップを用いる)ことができる。この場合には、マイクロ流路チップの流路を連続相液であらかじめ充填せずに分散溶液及び連続相液をチップに供給するので、準備工程を省略することができる。 According to the method of the present disclosure, a dispersed phase liquid such as an aqueous reaction solution containing a substance to be detected is supplied to the dispersed phase liquid holding units 102 and 103, and a continuous phase liquid such as oil is supplied to the continuous phase liquid holding unit 101. At this point, each channel of the microchannel chip 10 can be filled with a gas (particularly air) (i.e., an "empty" microchannel chip can be used). In this case, the dispersed solution and the continuous phase liquid are supplied to the chip without previously filling the channels of the microchannel chip with the continuous phase liquid, so that the preparation process can be omitted.

なお、空のマイクロ流路チップとは、流路内が気体(特には空気)で充填された状態のことを指し、流路全体に液体(例えば、分散相液、連続相液など)がない状態、すなわち流路全体が気体で充填されている状態が好ましい。なお、マイクロ流路チップの流路内に表面処理や空気中の水の凝結等によって液体が残留・発生していてもこの限りではないが、少なくとも流路の一部が液体によって閉塞していないことが好ましく、特に分散相液流路、連続相液流路、エマルジョン形成部が閉塞していないことが好ましい。 Note that an empty microchannel chip refers to a state in which the inside of the channel is filled with gas (particularly air), and it is preferable that there is no liquid (e.g., dispersed phase liquid, continuous phase liquid, etc.) in the entire channel, that is, the entire channel is filled with gas. Note that this does not apply even if liquid remains or is generated in the channel of the microchannel chip due to surface treatment or condensation of water in the air, etc., but it is preferable that at least a part of the channel is not blocked by liquid, and it is particularly preferable that the dispersed phase liquid channel, continuous phase liquid channel, and emulsion formation section are not blocked.

図1のマイクロ流路チップ10は、毛細管力及び/又は液面差圧によって分散相液及び連続相液をそれぞれの保持部からそれぞれの流路を通してエマルジョン形成部120にまで移動させることができるように、構成されている。したがって、各保持部101、102、103に供給された分散相液及び連続相液は、毛細管力及び/又は液面差圧によって、エマルジョン形成部120の方向(下流)に向かって移動する。なお、この移動(特には分散相液の移動)のために、外部から印加される圧力(特には排出口に印加される陰圧)を用いてもよい。 The microchannel chip 10 in FIG. 1 is configured so that the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid can be moved from their respective holding parts through their respective flow paths to the emulsion forming part 120 by capillary force and/or liquid level differential pressure. Therefore, the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid supplied to each holding part 101, 102, 103 move toward the emulsion forming part 120 (downstream) by capillary force and/or liquid level differential pressure. Note that for this movement (particularly the movement of the dispersed phase liquid), pressure applied from the outside (particularly negative pressure applied to the outlet) may be used.

本発明によれば、マイクロ流路チップに外部送液駆動力(陰圧)を適用して送液を開始する前に、エマルジョン形成部よりも上流で、分散相液と連続相液とを、気泡トラップを介さずに接触させる。本開示に係る方法によれば、気泡の発生を減少させることができるので、送液の早期の安定化に要する時間を短縮することができ、貴重な試料を含有し得る反応液などのロスを低減することができる。 According to the present invention, before starting liquid transfer by applying an external liquid transfer driving force (negative pressure) to the microchannel chip, the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid are brought into contact with each other upstream of the emulsion formation section without using a bubble trap. According to the method disclosed herein, it is possible to reduce the generation of bubbles, thereby shortening the time required for early stabilization of liquid transfer and reducing the loss of reaction liquids that may contain valuable samples.

さらに、本発明の方法では、分散相液と連続相液とが上記のようにして接触した後で、一定時間内(30秒以内)に、排出口150を介して陰圧を適用することによって、エマルジョン形成部120において、分散相液から構成される液滴及び連続相液から構成される連続相を含むエマルジョンを生成する。本発明の方法によれば、分散相液と連続相液とが接触することによる早期の液滴生成を最小化することができるため、液滴の均一性を確保することができる。 Furthermore, in the method of the present invention, after the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid come into contact as described above, negative pressure is applied through the outlet 150 within a certain period of time (within 30 seconds) to generate an emulsion in the emulsion forming section 120, which contains droplets composed of the dispersed phase liquid and a continuous phase composed of the continuous phase liquid. According to the method of the present invention, premature droplet generation due to contact between the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid can be minimized, thereby ensuring the uniformity of the droplets.

分散相液と連続相液との上記の接触の後で陰圧を適用するまでの時間は、用いるマイクロ流路チップの構造及び特性、並びに生成する液滴に要求されるサイズ等の均一性などに応じて設定することができるが、30秒以内であれば、良好な液滴の均一性を確保することができる。特に好ましくは、上記の接触のあとで、20秒以内、15秒以内、10秒以内、5秒以内、2秒以内、又は1秒以内に、陰圧の適用を行う。 The time until negative pressure is applied after the above-mentioned contact between the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid can be set according to the structure and characteristics of the microchannel chip used and the required uniformity of the size of the droplets to be generated, but good droplet uniformity can be ensured if it is within 30 seconds. Particularly preferably, negative pressure is applied within 20 seconds, 15 seconds, 10 seconds, 5 seconds, 2 seconds, or 1 second after the above-mentioned contact.

陰圧の適用は、例えばマイクロ流路チップ10の排出口150に接続された吸引装置によって行うことができる。 Negative pressure can be applied, for example, by a suction device connected to the outlet 150 of the microchannel chip 10.

<陰圧の適用> <Application of negative pressure>

本開示に係る方法の好ましい1つの実施態様では、排出口に陰圧制御手段が流体接続されており、陰圧制御手段が、陰圧源、接続部及び弁から構成されており、陰圧源が、一定の陰圧に制御されており、かつ、この弁が、陰圧源と接続部との間に配置されている。接続部を介して、陰圧制御手段を、排出口に接続することができる。この態様によれば、弁を開放することによって瞬時に陰圧を適用することができるので、特には相液の接触後に、陰圧の適用のタイミングをより正確に制御することが可能となる。 In one preferred embodiment of the method according to the present disclosure, a negative pressure control means is fluidly connected to the outlet, and the negative pressure control means is composed of a negative pressure source, a connection part, and a valve, the negative pressure source is controlled to a constant negative pressure, and the valve is disposed between the negative pressure source and the connection part. The negative pressure control means can be connected to the outlet via the connection part. According to this embodiment, negative pressure can be applied instantly by opening the valve, so that the timing of application of negative pressure can be more precisely controlled, particularly after contact of the phase liquids.

弁の具体的態様については特に制限はない。送液停止時の逆流を防止するという観点からは、弁の開閉時の流路における圧力変動を徐々に行うことができるもの、例えば開閉動作が比較的遅いものが好ましい。弁は、例えば三方弁であってよく、マイクロ流路チップを陰圧源(例えば圧力タンク)及び外部雰囲気(特には外部大気)のいずれかに流体接続することができるようになっていてよい。 There are no particular limitations on the specific form of the valve. From the viewpoint of preventing backflow when liquid transfer is stopped, it is preferable that the pressure in the flow channel can be gradually changed when the valve is opened and closed, for example, that the opening and closing operation is relatively slow. The valve may be, for example, a three-way valve, and may be capable of fluidly connecting the microchannel chip to either a negative pressure source (e.g., a pressure tank) or the external atmosphere (particularly the external atmosphere).

特には、分散相液及び連続相液の接触の前に、排出口に陰圧制御手段が流体接続されている。 In particular, a negative pressure control means is fluidly connected to the outlet prior to contact of the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid.

分散相液及び連続相液の接触の前に排出口に陰圧制御手段が流体接続されている態様では、連続相液と分散相液との接触の後に直ちに陰圧を適用することができる。この場合には、意図しない早期の液滴の発生を抑制し、液滴の均一性をさらに向上させることができるので、特に好ましい。 In an embodiment in which the negative pressure control means is fluidly connected to the outlet before the contact of the dispersed phase liquid with the continuous phase liquid, negative pressure can be applied immediately after the continuous phase liquid and the dispersed phase liquid come into contact. This is particularly preferred because it can suppress unintended early droplet generation and further improve the uniformity of the droplets.

また、特には、排出口を外部雰囲気(特には外部大気)に(少なくとも部分的に)接続することによって、前記陰圧の適用を停止する。 Also, in particular by (at least partially) connecting the exhaust outlet to the external atmosphere (in particular the external atmosphere), the application of the negative pressure is stopped.

なお、排出口に陰圧を適用する場合、マイクロ流路チップの分散相液保持部及び連続相液保持部は、外部大気に開放されていることができる。 When negative pressure is applied to the outlet, the dispersed phase liquid holding portion and the continuous phase liquid holding portion of the microchannel chip can be open to the outside atmosphere.

<エマルジョン保持流路>
本開示に係るさらに別の実施態様では、マイクロ流路チップがエマルジョン保持流路を有している。
<Emulsion holding flow path>
In yet another embodiment of the present disclosure, the microchannel chip has an emulsion-holding channel.

より具体的には、マイクロ流路チップが、エマルジョン保持流路をさらに有しており、エマルジョン形成部が、エマルジョン流路を介して、このエマルジョン保持流路に接続しており、かつ、このエマルジョン保持流路が、排出口に接続している。排出口に陰圧を適用することによって、エマルジョン形成部において、エマルジョンを生成し、このようにして生成されたエマルジョンを、エマルジョン流路を介して、エマルジョン保持流路に輸送する。 More specifically, the microchannel chip further has an emulsion holding channel, the emulsion forming section is connected to this emulsion holding channel via the emulsion channel, and this emulsion holding channel is connected to an outlet. By applying negative pressure to the outlet, an emulsion is generated in the emulsion forming section, and the emulsion thus generated is transported to the emulsion holding channel via the emulsion channel.

図2に示すマイクロ流路チップを参照して、この実施態様を具体的に説明する。図2は、理解を容易にするための概略図であり、縮尺どおりではない。図2のマイクロ流路チップ20は、エマルジョン保持流路を有している点、及び排出口の配置が異なっている点を除いては、図1と類似している。下記では、これらの相違点のみを説明する。 This embodiment will be specifically described with reference to the microchannel chip shown in FIG. 2. FIG. 2 is a schematic diagram for ease of understanding and is not drawn to scale. The microchannel chip 20 in FIG. 2 is similar to that in FIG. 1, except that it has an emulsion-holding channel and the placement of the outlet is different. Only these differences will be described below.

図2のマイクロ流路チップ20は、エマルジョン保持流路140を有している。エマルジョン形成部120が、エマルジョン流路130を介して、エマルジョン保持流路140に接続しており、エマルジョン保持流路140が、排出口150に接続している。 The microchannel chip 20 in FIG. 2 has an emulsion holding channel 140. The emulsion forming section 120 is connected to the emulsion holding channel 140 via the emulsion channel 130, and the emulsion holding channel 140 is connected to the outlet 150.

エマルジョン形成部120で生成されたエマルジョンを、エマルジョン流路130を介して、エマルジョン保持流路140に輸送する。 The emulsion produced in the emulsion forming section 120 is transported to the emulsion holding flow path 140 via the emulsion flow path 130.

このようなエマルジョン保持流路を有しているマイクロ流路チップに、従来の気泡トラップを適用しようとすると、気泡がエマルジョン保持流路に混入することによってエマルジョンの均一性を低下させる原因となり、例えば液滴の合一などのおそれが発生する。特に、検出処理などのためにエマルジョン保持流路に保持されるエマルジョンが外部雰囲気(特には外部大気)に触れないように構成されている場合には、一旦形成された気泡を除去することは容易でない。 When a conventional air bubble trap is applied to a microchannel chip having such an emulsion-holding channel, air bubbles may get mixed into the emulsion-holding channel, causing a decrease in the uniformity of the emulsion, and may cause, for example, droplets to coalesce. In particular, when the emulsion held in the emulsion-holding channel for detection processing or the like is configured not to come into contact with the external atmosphere (particularly the external air), it is not easy to remove air bubbles once they have formed.

また、エマルジョン保持流路を有するマイクロ流路チップを用いてエマルジョンの生成及び保持を行う場合、早期の接触によって送液前に生じる液滴のみを選択的に除去することは困難であり、このような液滴も、エマルジョン流路に保持されることとなる。これは、保持される液滴の不均一性を引き起こす。 In addition, when generating and holding an emulsion using a microchannel chip with an emulsion holding channel, it is difficult to selectively remove only the droplets that are generated before the liquid is sent due to early contact, and such droplets also end up being held in the emulsion channel. This causes non-uniformity in the held droplets.

さらに、陰圧で送液を行う場合には、陽圧送液と比較して、マイクロ流路チップの流路に発生した気泡を解消することが容易ではない。 Furthermore, when liquid is delivered under negative pressure, it is not as easy to eliminate air bubbles that occur in the flow channels of the microchannel chip as it is when liquid is delivered under positive pressure.

これに対して、本開示の方法では、陰圧の適用の前に分散相液と連続相液とをエマルジョン形成部又はその上流で気泡トラップを介さずに接触させ、かつ、この接触の後30秒以内に陰圧の適用を行うので、気泡の発生を抑制することができるとともに、早期の接触によって生じる所望の特性(特にはサイズ)を有しない液滴を抑制することができる。したがって、本発明は、エマルジョン保持流路を有するマイクロ流路チップにおいて、特に有用である。 In contrast, in the method disclosed herein, the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid are brought into contact with each other at the emulsion forming section or upstream thereof without using a bubble trap before applying negative pressure, and negative pressure is applied within 30 seconds after this contact, which makes it possible to suppress the generation of bubbles and to suppress droplets that do not have the desired characteristics (particularly size) that are caused by early contact. Therefore, the present invention is particularly useful in microchannel chips having emulsion-holding channels.

本開示の方法では、エマルジョン形成部で生成されるエマルジョン(液滴+連続相)を、気体で充填されているエマルジョン保持流路に輸送することができる。例えば、図2を参照すると、エマルジョン形成部120で生成されたエマルジョンを、エマルジョン流路130を介して、気体で充填された状態のエマルジョン保持流路140に輸送することができる(「エマルジョン充填法」)。なお、エマルジョン保持流路140は、エマルジョンが輸送される際に、完全に気体で充填されている必要はなく、例えば部分的に連続相液で充填されていてもよい。 In the method of the present disclosure, the emulsion (droplets + continuous phase) generated in the emulsion forming section can be transported to an emulsion holding channel filled with gas. For example, referring to FIG. 2, the emulsion generated in the emulsion forming section 120 can be transported via the emulsion channel 130 to the emulsion holding channel 140 filled with gas ("emulsion filling method"). Note that the emulsion holding channel 140 does not need to be completely filled with gas when the emulsion is transported, and may be partially filled with, for example, continuous phase liquid.

このようなエマルジョン充填法では、エマルジョン形成部で生成されたエマルジョンが、気体で充填されているエマルジョン保持流路の中を(特には排出口の方向に向かって)移動し、エマルジョン保持流路を充填する。すなわち、エマルジョン保持流路を充填している気体とエマルジョンとによって形成される「気液界面」が、エマルジョン保持流路の下流(特には排出口)に向かって移動する。エマルジョン充填法は、マイクロ流路チップの流路をあらかじめ連続相液で充填する準備工程及びそのための装置を省くことができるため、好ましい。 In this type of emulsion filling method, the emulsion generated in the emulsion forming section moves through the emulsion-holding flow path, which is filled with gas (particularly toward the outlet), filling the emulsion-holding flow path. In other words, the "gas-liquid interface" formed by the gas and emulsion filling the emulsion-holding flow path moves downstream of the emulsion-holding flow path (particularly toward the outlet). The emulsion filling method is preferable because it can omit the preparation step of filling the flow path of the microchannel chip with a continuous phase liquid in advance and the device for this purpose.

エマルジョン保持流路を有しているマイクロ流路チップにおいて上記のエマルジョン充填法を行う場合、液滴生成を停止する際に、エマルジョン保持流路を進行する気液界面が流路内(特には排出口近傍の流路内)に存在することが、液滴の流出を防止する観点から好ましい。また、マイクロ流路チップと外部送液駆動源との接続が簡便となるため、陰圧によって送液を行うことが好ましい。しかしながら、陰圧によってエマルジョン充填法を行う場合、気液界面の逆流(エマルジョン形成部の方向への進行)が問題となる場合もある。なお、送液前に全流路を連続相液で満たす従来の方法、又は液滴ウェルに液滴を回収する従来の方法では、排出口を充填している連続相液又はエマルジョンによって、陰圧停止時の空気の流入による圧力変動の影響が緩和又は回避されるので、このような問題は生じない。 When the above-mentioned emulsion filling method is performed in a microchannel chip having an emulsion-holding channel, it is preferable from the viewpoint of preventing droplets from flowing out that the gas-liquid interface moving through the emulsion-holding channel is present within the channel (particularly within the channel near the outlet) when droplet generation is stopped. In addition, it is preferable to perform liquid transfer by negative pressure, since this simplifies the connection between the microchannel chip and an external liquid transfer drive source. However, when the emulsion filling method is performed by negative pressure, backflow of the gas-liquid interface (progression toward the emulsion formation part) may become a problem. Note that in the conventional method of filling the entire channel with a continuous phase liquid before liquid transfer, or in the conventional method of recovering droplets in a droplet well, the effect of pressure fluctuation due to the inflow of air when the negative pressure is stopped is mitigated or avoided by the continuous phase liquid or emulsion filling the outlet, so such a problem does not occur.

このようなエマルジョン保持流路を進行する気液界面の逆流を防止する観点からは、送液を停止する際の圧力変動を徐々に行うこと、又は送液圧力を小さくすることが好ましい。 From the viewpoint of preventing backflow of the gas-liquid interface proceeding through such an emulsion-holding flow path, it is preferable to gradually change the pressure when stopping the liquid transfer, or to reduce the liquid transfer pressure.

<接触>
上述したとおり、本開示の方法では、陰圧の適用の前に、分散相液と連続相液とを、エマルジョン形成部又はその上流で、気泡トラップを介さずに接触させる。なお、本開示で「接触」という場合、別段の指示がない限り、分散相液と連続相液との接触を意味し、特には、エマルジョンの生成の前段階における分散相液と連続相液との接触を意味する。また、「気泡トラップ」は、特には、チップに別個に供給された連続相液と分散相液との接触を阻害する気泡を発生させるための構造であり、この構造は、例えば、分散相液保持流路に設けられており、流路内における気泡の生成を促すように構成されている。
<Contact>
As described above, in the method of the present disclosure, the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid are brought into contact with each other at the emulsion forming section or upstream thereof without using a bubble trap before applying negative pressure. In this disclosure, the term "contact" means contact between the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid, and particularly means contact between the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid in a stage prior to the production of an emulsion, unless otherwise specified. In addition, the "bubble trap" is a structure for generating bubbles that inhibit contact between the continuous phase liquid and the dispersed phase liquid separately supplied to the chip, and this structure is provided, for example, in a dispersed phase liquid holding flow path and is configured to promote the generation of bubbles in the flow path.

上述の接触は、各保持部(分散相液保持部及び連続相液保持部それぞれ)ヘの各相液(分散相液及び連続相液ぞれぞれ)の供給のタイミング、及び流路内における各相液の移動速度などを調節することによって行うことができる。各流路内における各相液の移動速度は、例えば、各保持部への各相液の供給量、並びに分散相液流路及び連続相液流路の特性(流路表面の特性、流路の圧力損失など)、並びに各相液の液物性を適宜選択することによって調節することができる。なお、この移動速度の調整は、主に毛細管力と液面差圧で制御することができる。 The above-mentioned contact can be achieved by adjusting the timing of supply of each phase liquid (dispersed phase liquid and continuous phase liquid, respectively) to each holding section (dispersed phase liquid holding section and continuous phase liquid holding section, respectively), and the movement speed of each phase liquid in the flow path. The movement speed of each phase liquid in each flow path can be adjusted, for example, by appropriately selecting the amount of each phase liquid supplied to each holding section, the characteristics of the dispersed phase liquid flow path and the continuous phase liquid flow path (characteristics of the flow path surface, pressure loss in the flow path, etc.), and the liquid properties of each phase liquid. The movement speed can be adjusted mainly by capillary force and liquid level differential pressure.

毛細管力は、キャピラリー力とも呼ばれる力であり、大きく開けた保持部内の気液界面とより小さい断面を有する流路内の気液界面の表面張力差によって発生する流路に侵入する方向に働く力である。よって、毛細管力は各流路の特性だけでなく保持部の構造も影響し、特にエマルジョン充填法ではエマルジョンの気液界面の移動を制御するため、送液(液滴生成)中及び送液停止後の液滴保持中においても毛細管力が大きく影響する。 Capillary force is a force that acts in the direction of entering the flow path due to the difference in surface tension between the gas-liquid interface in the wide-open holding part and the gas-liquid interface in a flow path with a smaller cross section. Therefore, capillary force is affected not only by the characteristics of each flow path but also by the structure of the holding part, and in particular, in the emulsion filling method, the capillary force has a large effect during the liquid transfer (droplet generation) and while the droplets are being held after the liquid transfer has stopped, as it controls the movement of the emulsion's gas-liquid interface.

また、液面差圧は、静水圧とも呼ばれる力であり、一般に静止状態の液体中に重力によって発生する圧力、すなわち各保持部への各相液の供給量(重量)に依存した圧力を指す。 The liquid level differential pressure is also known as hydrostatic pressure, and generally refers to the pressure generated by gravity in a stationary liquid, i.e., the pressure that depends on the amount (weight) of each phase liquid supplied to each holding section.

理想的には、各相液の物性及び供給量、各流路の特性に依存する毛細管力、並びに/又は液面差圧によって、上述の各相液の供給のタイミングや移動速度を制御するのが測定毎の再現性の観点から好ましい。しかし、実際は、供給時の吐出圧や各保持部内での対流等により意図しない圧力が各相液に印加されうる。そこで、後述のピペットのような分注手段を用いたチップで、滴下によって連続相液及び又は分散相液を供給するのが好ましい。 Ideally, from the viewpoint of reproducibility for each measurement, it is preferable to control the timing of supply and the movement speed of each of the above-mentioned phase liquids by the physical properties and supply amount of each phase liquid, the capillary force that depends on the characteristics of each flow path, and/or the liquid level differential pressure. However, in reality, unintended pressure may be applied to each phase liquid due to the discharge pressure during supply and convection within each holding part. Therefore, it is preferable to supply the continuous phase liquid and/or the dispersed phase liquid by dropping using a tip using a dispensing means such as a pipette described below.

なお、「上流」とは、マイクロ流路チップにおける液体の全体的な流れの方向を考慮したときの「上流」を意味している。具体的には、マイクロ流路チップにおいて、相液保持部側が上流であり、排出口側が下流である。 Note that "upstream" refers to the "upstream" when considering the overall flow direction of the liquid in the microchannel chip. Specifically, in the microchannel chip, the phase liquid holding section side is the upstream side, and the outlet side is the downstream side.

(エマルジョン形成部での接触)
本開示に係る1つの実施態様では、接触の前に、分散相液を、気体で充填された状態の分散相液流路を通してエマルジョン形成部にまで移動させ、かつ、連続相液を、気体で充填された状態の連続相液流路を通してエマルジョン形成部にまで移動させる。
(Contact at the emulsion forming part)
In one embodiment of the present disclosure, prior to contact, the dispersed phase liquid is moved through a dispersed phase liquid flow path filled with gas to the emulsion-forming section, and the continuous phase liquid is moved through a continuous phase liquid flow path filled with gas to the emulsion-forming section.

あらかじめ流路を連続相液で充填することなくチップに分散相液及び連続相液を供給する方法は、準備工程を省くことができるので好ましいが、各相液のエマルジョン形成部への到達のタイミングに応じて、気泡が発生することがある。例えば、分散相液が連続相液よりも先にエマルジョン形成部に到達し、エマルジョン形成部を充填してしまうと、後からエマルジョン形成部に向かって移動してくる連続相液とエマルジョン形成部を満たす分散相液との間(例えば連続相液流路内)に、気体(特には気泡)が残留するおそれが生じる。 The method of supplying the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid to the chip without filling the flow path with the continuous phase liquid in advance is preferable because it eliminates the preparation step, but air bubbles may be generated depending on the timing of arrival of each phase liquid at the emulsion forming section. For example, if the dispersed phase liquid reaches the emulsion forming section before the continuous phase liquid and fills the emulsion forming section, there is a risk that gas (especially air bubbles) will remain between the continuous phase liquid that moves toward the emulsion forming section and the dispersed phase liquid that fills the emulsion forming section (for example, in the continuous phase liquid flow path).

これに対して、分散相液を気体で充填された状態の分散相液流路を通してエマルジョン形成部にまで移動させ、かつ連続相液を気体で充填された状態の連続相液流路を通してエマルジョン形成部にまで移動させる上記の態様によれば、連続相液及び分散相液が、それぞれ連続相液流路及び分散相液流路を充填しきった後で、エマルジョン形成部で接触することとなる。この態様によれば、相液流路内に気体が残留することを抑制又は防止することができ、結果として、気泡の発生をさらに効果的に抑制することができる。 In contrast, according to the above embodiment in which the dispersed phase liquid is moved to the emulsion forming section through the dispersed phase liquid flow path filled with gas, and the continuous phase liquid is moved to the emulsion forming section through the continuous phase liquid flow path filled with gas, the continuous phase liquid and the dispersed phase liquid come into contact with each other in the emulsion forming section after the continuous phase liquid flow path and the dispersed phase liquid flow path are filled completely, respectively. According to this embodiment, it is possible to suppress or prevent gas from remaining in the phase liquid flow path, and as a result, it is possible to more effectively suppress the generation of bubbles.

特に好ましくは、分散相液を、気体で充填された状態の分散相液流路を通してエマルジョン形成部への流入部にまで移動させ、かつ、連続相液を、気体で充填された状態の連続相液流路を通してエマルジョン形成部にまで移動させる。なお、流入部は、分散相液流路のうち、エマルジョン形成部に隣接する部分である。 Particularly preferably, the dispersed phase liquid is moved to an inlet to the emulsion forming section through a dispersed phase liquid flow path filled with gas, and the continuous phase liquid is moved to the emulsion forming section through a continuous phase liquid flow path filled with gas. The inlet is a portion of the dispersed phase liquid flow path adjacent to the emulsion forming section.

この場合には、分散相液がエマルジョン形成部に進入しないうちに連続相液をエマルジョン形成部に進入させるので、分散相液がエマルジョン形成部を閉塞するおそれを、より効果的に抑制することができる。 In this case, the continuous phase liquid is allowed to enter the emulsion forming section before the dispersed phase liquid enters the emulsion forming section, so the risk of the dispersed phase liquid blocking the emulsion forming section can be more effectively reduced.

なお、この態様では、分散相液をエマルジョン形成部への流入部まで移動させているが、これとは逆に、連続相液をエマルジョン形成部への流入部まで移動させる態様も想定することができる。しかしながら、連続相液は一般にオイル成分を主成分としており、流動性が比較的高いので、流路内における移動を制御する上での容易さの観点から、分散相液を流入部にまで移動させることが好ましい。 In this embodiment, the dispersed phase liquid is moved to the inlet to the emulsion forming section, but a converse embodiment in which the continuous phase liquid is moved to the inlet to the emulsion forming section can also be envisioned. However, since the continuous phase liquid generally has an oil component as its main component and has a relatively high fluidity, it is preferable to move the dispersed phase liquid to the inlet from the viewpoint of ease of controlling the movement within the flow path.

接触の前に分散相液を気体で充填された状態の分散相液流路を通してエマルジョン形成部(又はエマルジョン形成部への流入部)にまで移動させ、かつ連続相液を気体で充填された状態の連続相液流路を通してエマルジョン形成部にまで移動させるためには、上述したように、例えば、各保持部(分散相液保持部及び連続相液保持部それぞれ)ヘの各相液(分散相液及び連続相液ぞれぞれ)の供給のタイミング、及び流路内における各相液の移動速度などを調節することができる。 In order to move the dispersed phase liquid to the emulsion forming section (or the inlet section to the emulsion forming section) through the dispersed phase liquid flow path filled with gas before contact, and to move the continuous phase liquid to the emulsion forming section through the continuous phase liquid flow path filled with gas, as described above, for example, the timing of supplying each phase liquid (dispersed phase liquid and continuous phase liquid, respectively) to each holding section (dispersed phase liquid holding section and continuous phase liquid holding section, respectively) and the movement speed of each phase liquid in the flow path can be adjusted.

分散相液が水性溶液の場合、エマルジョン形成部付近の流路壁面が疎水性であれば、分散相液がエマルジョン形成部への分散相液流路の流入部に留まる時間が長くなり、エマルジョン形成部が分散相液によって充填される(閉塞する)までの時間が長くなるため、好ましい。 When the dispersed phase liquid is an aqueous solution, it is preferable for the flow channel wall surface near the emulsion forming section to be hydrophobic, since this increases the time that the dispersed phase liquid remains at the inlet of the dispersed phase liquid flow channel to the emulsion forming section, and increases the time until the emulsion forming section is filled (blocked) with the dispersed phase liquid.

なお、エマルジョン形成部を選択的に疎水性にすることは、分散相液のエマルジョン形成部への意図しない早期の進入を抑制することができるので好ましいが、製作費用の増大につながるおそれもある。一方で、分散相液流路を含めた流路全体を疎水性にする場合には、表面張力の大きい水溶液をキャピラリー力(毛細管力)でエマルジョン形成部まで導入する速さが小さくなりやすい。この場合には、送液手段及び/又は分注手段によって分散相液に圧力を加えて移動を促進することができる。 Selectively making the emulsion-forming section hydrophobic is preferable because it can prevent the dispersed phase liquid from entering the emulsion-forming section prematurely, but it may lead to increased manufacturing costs. On the other hand, if the entire flow path, including the dispersed phase liquid flow path, is made hydrophobic, the speed at which an aqueous solution with high surface tension can be introduced to the emulsion-forming section by capillary force tends to decrease. In this case, pressure can be applied to the dispersed phase liquid by the liquid delivery means and/or the dispensing means to promote its movement.

<分散相液保持部での接触>
本開示に係る別の実施態様では、接触の前に、連続相液を、気体で充填された状態の連続相液流路、エマルジョン形成部、及び分散相液流路を通して、分散相液保持部にまで移動させる。
<Contact in the Dispersed Phase Liquid Retaining Section>
In another embodiment of the present disclosure, prior to contacting, the continuous phase liquid is moved through a gas-filled continuous phase liquid flow path, an emulsion forming section, and a dispersed phase liquid flow path to a dispersed phase liquid holding section.

分散相液は、一般に、連続相液と比較して流動性が低いので、分散相液で充填された流路内に気泡が発生した場合に、その気泡を除去することは容易ではない。特に、外部送液駆動力として陰圧を用いる場合には、分散相液に直接に送液圧力を及ぼすことが容易でないため、このような気泡の除去は、より困難となる。 Dispersed phase liquid generally has lower fluidity than continuous phase liquid, so if bubbles occur in a flow path filled with dispersed phase liquid, it is not easy to remove the bubbles. In particular, when negative pressure is used as the external liquid delivery driving force, it is not easy to apply liquid delivery pressure directly to the dispersed phase liquid, making it even more difficult to remove such bubbles.

これに対して、接触の前に連続相液を気体で充填された状態の連続相液流路、エマルジョン形成部、及び分散相液流路を通して分散相液保持部にまで移動させる上記の態様では、接触の前に、分散相液を、気体で充填された流路内で移動させる必要がないので、分散相液流路において分散相液中に気泡が発生するおそれがさらに抑制されると考えられる。なお、この場合、分散相液を分散相液保持部に滴下などによって供給することで、気泡の発生をさらに抑制することができる。後述するとおり、分散相液保持部への分散相液の供給を、分注手段によって行うことができる。 In contrast, in the above embodiment in which the continuous phase liquid is moved to the dispersed phase liquid holding section through the continuous phase liquid flow path filled with gas, the emulsion forming section, and the dispersed phase liquid flow path before contact, there is no need to move the dispersed phase liquid in a flow path filled with gas before contact, which is thought to further reduce the risk of air bubbles being generated in the dispersed phase liquid in the dispersed phase liquid flow path. In this case, the generation of air bubbles can be further reduced by supplying the dispersed phase liquid to the dispersed phase liquid holding section by dripping, etc. As described below, the dispersed phase liquid can be supplied to the dispersed phase liquid holding section by a dispensing means.

なお、この態様では、連続相液が分散相液保持部まで達してから分散相液が分散相液保持部に供給されるまでの時間、及び/又は分散相液が分散相液保持部に供給されてから外部送液駆動力によって送液が開始されるまでの時間を短くし、それにより、分散相液保持部に逆流する連続相液の量を低減し、分散相液と連続相液が分散相液保持部で接触して生じる不均一液滴を低減することが好ましい。本開示に係る1つの有利な実施態様では、連続相液が分散相液保持部まで達した時点から、分散相液が分散相液保持部に供給された時点までの時間が、好ましくは30秒以下、より好ましくは20秒以下、特に好ましくは10秒以下である。 In this embodiment, it is preferable to shorten the time from when the continuous phase liquid reaches the dispersed phase liquid holding section until the dispersed phase liquid is supplied to the dispersed phase liquid holding section, and/or the time from when the dispersed phase liquid is supplied to the dispersed phase liquid holding section until the liquid is started to be sent by the external liquid sending driving force, thereby reducing the amount of continuous phase liquid that flows back into the dispersed phase liquid holding section and reducing non-uniform droplets that are generated when the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid come into contact with each other in the dispersed phase liquid holding section. In one advantageous embodiment of the present disclosure, the time from when the continuous phase liquid reaches the dispersed phase liquid holding section until the dispersed phase liquid is supplied to the dispersed phase liquid holding section is preferably 30 seconds or less, more preferably 20 seconds or less, and particularly preferably 10 seconds or less.

また、エマルジョン保持流路を有するマイクロ流路チップにおいて、上記のようにして連続相液を分散相液保持部まで移動させる場合には、外部送液駆動力の適用の前に連続相液がエマルジョン保持流路を過剰に充填しないようにすることが好ましい。 In addition, in a microchannel chip having an emulsion-holding channel, when the continuous phase liquid is moved to the dispersed phase liquid holding section as described above, it is preferable to prevent the continuous phase liquid from excessively filling the emulsion-holding channel before the application of the external liquid-transport driving force.

<移動> <Move>

上述したとおり、本発明では、分散相液と連続相液とを、エマルジョン形成部又はその上流で、気泡トラップを介さずに接触させる。好ましくは、外部送液駆動力なしでも分散相液と連続相液とが接触できる程度に、エマルジョン形成部及びその上流の流路抵抗が、十分に小さい。 As described above, in the present invention, the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid are brought into contact with each other in the emulsion forming section or upstream thereof without using a bubble trap. Preferably, the flow resistance in the emulsion forming section and upstream thereof is sufficiently small so that the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid can come into contact with each other without an external liquid delivery driving force.

本開示に係る1つの実施態様では、接触の前に、分散相液及び/又は連続相液を、毛細管力及び/又は液面差圧によって移動させる。 In one embodiment of the present disclosure, prior to contact, the dispersed phase liquid and/or the continuous phase liquid are moved by capillary forces and/or liquid level differential pressure.

このような態様によれば、追加的な装置を必要とすることなく、容易に、分散相液及び連続相液の移動を制御することができる。 In this manner, the movement of the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid can be easily controlled without the need for additional equipment.

上述したとおり、例えばマイクロ流路チップの流路構造を適宜設定することによって、所望の毛細管力を得ることができる。また、例えば各相液保持部に供給される液量(特には液面高さ)を調節することによって、所望の液面差圧を得ることができる。 As described above, for example, the desired capillary force can be obtained by appropriately setting the channel structure of the microchannel chip. Also, for example, the desired liquid level differential pressure can be obtained by adjusting the amount of liquid (particularly the liquid level height) supplied to each phase liquid holding section.

本開示に係る1つの実施態様では、外部送液駆動力なしでも分散相液と連続相液とが接触できる程度にエマルジョン形成部及びその上流の流路抵抗が十分に小さくなっており、それにより、例えば、当該接触の前に分散相液を気体で充填された状態の前記分散相液流路を通してエマルジョン形成部にまで移動させ、かつ連続相液を気体で充填された状態の連続相液流路を通してエマルジョン形成部にまで移動させる場合に、(特には空の状態のマイクロ流路チップの)分散相液保持部に分散相液が供給された時点から、分散相液が連続相液と接触するまでの時間が、5分以内であるようになっている。この時間は、好ましくは3分以内であり、より好ましくは1分以内である。この場合には、エマルジョンの生成(及び随意に保持)に要する時間をさらに短縮することができる。 In one embodiment of the present disclosure, the resistance of the emulsion forming section and the flow path upstream thereof is sufficiently small so that the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid can come into contact with each other without an external liquid delivery driving force. As a result, for example, when the dispersed phase liquid is moved to the emulsion forming section through the dispersed phase liquid flow path filled with gas before the contact, and the continuous phase liquid is moved to the emulsion forming section through the continuous phase liquid flow path filled with gas, the time from when the dispersed phase liquid is supplied to the dispersed phase liquid holding section (especially of an empty microchannel chip) until the dispersed phase liquid comes into contact with the continuous phase liquid is within 5 minutes. This time is preferably within 3 minutes, more preferably within 1 minute. In this case, the time required for generating (and optionally holding) the emulsion can be further shortened.

また、本開示に係る別の実施態様では、外部送液駆動力なしでも分散相液と連続相液とが接触できる程度にエマルジョン形成部及びその上流の流路抵抗が十分に小さくなっており、それにより、例えば、当該接触の前に連続相液を気体で充填された状態の連続相液流路、エマルジョン形成部、及び分散相液流路を通し分散相液保持部にまで移動させる場合に、(特には空の状態のマイクロ流路チップの)連続相液保持部に連続相液が供給された時点から、連続相液が分散相液保持部で分散相液と接触するまでの時間が、1分以内であるようになっている。この時間は、好ましくは30秒以内であり、より好ましくは15秒以内である。この場合には、エマルジョンの生成(及び随意に保持)に要する時間をさらに短縮することができる。 In another embodiment of the present disclosure, the resistance of the emulsion forming section and its upstream flow path is sufficiently small so that the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid can come into contact with each other without an external liquid delivery driving force. As a result, for example, when the continuous phase liquid is moved to the dispersed phase liquid holding section through the continuous phase liquid flow path filled with gas, the emulsion forming section, and the dispersed phase liquid flow path before the contact, the time from when the continuous phase liquid is supplied to the continuous phase liquid holding section (especially of an empty microchannel chip) to when the continuous phase liquid comes into contact with the dispersed phase liquid in the dispersed phase liquid holding section is within 1 minute. This time is preferably within 30 seconds, more preferably within 15 seconds. In this case, the time required for generating (and optionally holding) the emulsion can be further shortened.

なお、上記の接触前の(分散相液及び/又は連続相液の、特には分散相液の)移動のために、外部から印加される圧力を用いてもよい。特に、上記の接触の前に、排出口に陰圧を印加し、そのようにして、分散相液を、気体で充填された状態の分散相液流路を通してエマルジョン形成部にまで移動させる。一般に、分散相液は流路表面に対して親和性が低いため、接触前の分散相液の移動速度を増大させるのが好ましい。その手段の1つとして陰圧を用いることで、装置を簡便化することができる。外部から印加される圧力については、外部送液駆動力に関する下記の記載を参照することができる。 In addition, pressure applied from the outside may be used for the movement (of the dispersed phase liquid and/or the continuous phase liquid, especially the dispersed phase liquid) before the above contact. In particular, negative pressure is applied to the outlet before the above contact, and the dispersed phase liquid is thus moved to the emulsion forming section through the dispersed phase liquid flow path filled with gas. In general, since the dispersed phase liquid has a low affinity for the flow path surface, it is preferable to increase the movement speed of the dispersed phase liquid before contact. By using negative pressure as one of the means, the device can be simplified. For the pressure applied from the outside, the following description regarding the external liquid delivery driving force can be referred to.

各保持部に陽圧を印加することで上記の接触前の移動を制御する場合、流路内の微小量の各相液を制御するには、陽圧供給源を小さな圧力に制御し、かつ/又は陽圧の印加時間を極めて小さい時間に制御する必要があるため、装置として再現性が低下するおそれがある。 When controlling the above-mentioned pre-contact movement by applying positive pressure to each holding section, in order to control the minute amounts of each phase liquid in the flow path, it is necessary to control the positive pressure source to a small pressure and/or control the application time of the positive pressure to an extremely short time, which may reduce the reproducibility of the device.

一方で、例えば連続相液を供給する前に分散相液が分散相液流路内を移動する際に排出口に陰圧を印加する場合、連続相液流路及び連続相液保持部は液体で閉塞していないため、排出口から連続相液保持部への流路は外気に開放されている状態となり、陰圧供給源が有する陰圧よりも小さい陰圧が分散相液に印加されることになるので、流路内の微小量の分散相液の移動を精度よく制御する上で、印加圧力を小さく制御しやすいため装置として再現性を確保しやすく好ましい。 On the other hand, for example, when negative pressure is applied to the outlet when the dispersed phase liquid moves through the dispersed phase liquid flow path before the continuous phase liquid is supplied, the continuous phase liquid flow path and the continuous phase liquid holder are not blocked by liquid, so the flow path from the outlet to the continuous phase liquid holder is open to the outside air, and a negative pressure smaller than the negative pressure of the negative pressure supply source is applied to the dispersed phase liquid. This makes it easier to control the applied pressure to be small in order to accurately control the movement of minute amounts of dispersed phase liquid through the flow path, which is preferable as it makes it easier to ensure reproducibility as an apparatus.

また、分散相液を供給する前に連続相液が連続相液流路内を移動する際に排出口に陰圧を印加する場合、一般に連続相液は表面張力及び/又は粘性が小さい液体を使用するので、外部送液駆動力を利用した前記移動にはより精度の高い制御が必要となるため、より好ましい。なお、上記の移動の制御は流路閉塞による気泡の発生の抑制に直結するため重要である。また、上記の場合、陰圧供給源の圧力は外気に開放されて徐々に低下するため、圧力を維持できるような機構を有しているのがより好ましい。 In addition, when negative pressure is applied to the outlet when the continuous phase liquid moves through the continuous phase liquid flow path before the dispersed phase liquid is supplied, since the continuous phase liquid generally has a low surface tension and/or viscosity, the movement using an external liquid delivery driving force requires more precise control, which is more preferable. Note that the control of the movement is important because it is directly linked to the prevention of the generation of bubbles due to the blockage of the flow path. In addition, in the above case, since the pressure of the negative pressure supply source is released to the outside air and gradually decreases, it is more preferable to have a mechanism that can maintain the pressure.

以下で、本開示に係る発明を構成する各構成要素についてさらに詳細に説明する。 Below, we will explain in more detail each of the components that make up the invention disclosed herein.

<エマルジョン>
本開示に係る方法によって生成されるエマルジョンは、分散性溶液であり、分散相液から構成される液滴、及び、連続相液から構成される連続相を含む。エマルジョン中で、分散相液から構成される液滴が、連続相液から構成される連続相に分散している。
<Emulsion>
The emulsions produced by the methods of the present disclosure are disperse solutions that contain droplets made up of the dispersed phase liquid and a continuous phase made up of the continuous phase liquid. In an emulsion, the droplets made up of the dispersed phase liquid are dispersed in the continuous phase made up of the continuous phase liquid.

(分散相液)
分散相液は、エマルジョンに含有される液滴を構成する液体である。
(Dispersed Phase Liquid)
The dispersed phase liquid is the liquid that makes up the droplets contained in the emulsion.

分散相液は、例えば、水溶液である。分散相液は、随意に、界面活性剤、有機溶剤、増粘剤、血清、酵素などを含有することができる。分散相液は、反応液であってよく、例えば、後述する検出処理において検出対象となる試料を含有する液体、検出用の試薬を含有する液体、又はこれらの混合液であってよい。 The dispersed phase liquid is, for example, an aqueous solution. The dispersed phase liquid may optionally contain a surfactant, an organic solvent, a thickener, serum, an enzyme, or the like. The dispersed phase liquid may be a reaction liquid, for example, a liquid containing a sample to be detected in the detection process described below, a liquid containing a detection reagent, or a mixture of these.

(連続相液)
連続相液は、エマルジョンに含有される連続相を構成する液体である。
(Continuous phase liquid)
The continuous phase liquid is the liquid that constitutes the continuous phase contained in the emulsion.

連続相液は、分散相液と混和しない非混和性液体であることが好ましい。例えば、分散相液が水溶液である場合、連続相液はオイルであってよく、この場合、ウォーターインオイル(W/O)型エマルジョンが形成される。 The continuous phase liquid is preferably an immiscible liquid that is not miscible with the dispersed phase liquid. For example, if the dispersed phase liquid is an aqueous solution, the continuous phase liquid may be an oil, in which case a water-in-oil (W/O) emulsion is formed.

連続相液がオイルである場合、オイルとしては、シリコーンオイル、鉱油、フッ素系分散媒、植物油、又はこれらの組み合わせが挙げられる。 When the continuous phase liquid is an oil, the oil may be a silicone oil, a mineral oil, a fluorinated dispersion medium, a vegetable oil, or a combination thereof.

フッ素系分散媒としては、フルオロカーボン、特には、ペルフルオロヘキサン、ヘキサフルオロベンゼン、ペルフルオロメチルシクロヘキサン、ペルフルオロオクタン、及びペルフルオロトリペンチルアミンが挙げられる。 Fluorine-based dispersion media include fluorocarbons, particularly perfluorohexane, hexafluorobenzene, perfluoromethylcyclohexane, perfluorooctane, and perfluorotripentylamine.

市販されているフルオロカーボンとしては、FC-3283(フロリナート(商品名)3M社製)、FC-40(フロリナート(商品名)3M社製)、及びHFE-7500(3MTMNovecTM高機能性液体、3M社製)が挙げられる。 Commercially available fluorocarbons include FC-3283 (Fluorinert® manufactured by 3M Corporation), FC-40 (Fluorinert® manufactured by 3M Corporation), and HFE-7500 (3M Novec High Performance Fluids, manufactured by 3M Corporation).

連続相液としてフッ素系分散媒、特に上記のフルオロカーボンを使用した場合には、特に安定かつ迅速な液滴生成が可能となる。また、極性溶媒や無極性溶媒に対して極めて相溶性が低い特徴を有するため、エマルジョン内の液滴の成分が連続相液を介して他の液滴に移動してしまう問題(クロストーク、コンタミ)を抑制することができる。また、炭化水素系分散媒やシリコーンオイルで表面張力や粘性の低い液体を選択する場合、一般的に可燃性等の危険物としてのリスクが増大するが、フッ素系分散媒は消火剤や冷却媒として利用されるほど安全性が高いのが特徴である。 When a fluorine-based dispersion medium, especially the above-mentioned fluorocarbons, is used as the continuous phase liquid, droplets can be generated particularly stably and quickly. In addition, because it has the characteristic of being extremely poorly compatible with polar and non-polar solvents, it is possible to suppress the problem of the components of the droplets in the emulsion moving to other droplets through the continuous phase liquid (crosstalk, contamination). In addition, when selecting a liquid with low surface tension and viscosity such as a hydrocarbon-based dispersion medium or silicone oil, there is generally an increased risk of it being a hazardous material such as flammable, but fluorine-based dispersion mediums are characterized by their high safety, so that they are used as fire extinguishing agents and cooling media.

なお、液滴の熱安定性の目的などのために、界面活性剤などの添加剤を連続相液に添加することもできる。これらの添加剤は、液滴における検出反応を阻害しないものであることが好ましい。界面活性剤としては、非イオン界面活性剤である、ポリエチレングリコールとポリプロピレングリコールのブロックコポリマーであるPLURONIC(登録商標)およびTETRONIC(登録商標)やTween、Span、Zonyl(登録商標)など挙げられる。連続相液としてフッ素系分散媒を使用する場合、フッ素系界面活性剤を使用するのが好ましい、例えばパーフルオロポリエーテルとポリエチレングリコールのブロックコポリマー等が挙げられる。 Additives such as surfactants can be added to the continuous phase liquid for the purpose of improving the thermal stability of the droplets. It is preferable that these additives do not inhibit the detection reaction in the droplets. Examples of surfactants include non-ionic surfactants such as PLURONIC (registered trademark) and TETRONIC (registered trademark), which are block copolymers of polyethylene glycol and polypropylene glycol, as well as Tween, Span, and Zonyl (registered trademark). When a fluorine-based dispersion medium is used as the continuous phase liquid, it is preferable to use a fluorine-based surfactant, such as a block copolymer of perfluoropolyether and polyethylene glycol.

(液滴)
エマルジョンに含有される液滴は、分散相液から構成される。液滴は、例えば、分散相液が連続相液との接触を介してカプセル封入されることによって形成される。
(Droplets)
The droplets contained in an emulsion are composed of the dispersed phase liquid, for example, by encapsulation of the dispersed phase liquid through contact with the continuous phase liquid.

液滴は、例えば、検出対象となる試料を含有する。液滴中で、試料中に含有される標的物質と試薬とを反応させ、その反応の有無及び/又は反応の程度を示す検出可能なシグナル(例えば、蛍光シグナル)を介して、試料の分析を行うことができる。この反応は、例えば、化学反応、結合反応、表現型の変化、又はこれらの組み合わせであってよい。 The droplets contain, for example, a sample to be detected. In the droplets, a target substance contained in the sample is reacted with a reagent, and the sample can be analyzed via a detectable signal (e.g., a fluorescent signal) indicating the presence or absence and/or the extent of the reaction. The reaction may be, for example, a chemical reaction, a binding reaction, a phenotypic change, or a combination of these.

液滴の体積は、標的物質をおおむね1つ(例えば1分子)保持できるだけの体積を有することが好ましい。具体的には、平均体積が、0.00001nL以上、0.0001nL以上、0.001nL以上、0.01nL以上、0.1nL以上、若しくは1nL以上、かつ/又は、100nL以下、50nL以下、若しくは10nL以下であることが好ましい。なお、液滴内における標的物質の反応を均一に行なう観点から、形成する液滴の体積は単分散性が高いと好ましい。ここでいう単分散性とは、具体的には、液滴体積の変動係数(CV)が20%以下、10%以下、5%以下、2%以下、又は1%以下のことをいう。なお、下記では説明をわかりやすくするため、液滴を球状として取り扱うが、流路構造や周囲の流れによって液滴が非球状になっていても同様に考えてよい。 The volume of the droplet is preferably large enough to hold approximately one target substance (e.g., one molecule). Specifically, the average volume is preferably 0.00001 nL or more, 0.0001 nL or more, 0.001 nL or more, 0.01 nL or more, 0.1 nL or more, or 1 nL or more, and/or 100 nL or less, 50 nL or less, or 10 nL or less. From the viewpoint of uniformly reacting the target substance in the droplet, it is preferable that the volume of the droplet formed is highly monodisperse. Specifically, monodisperse means that the coefficient of variation (CV) of the droplet volume is 20% or less, 10% or less, 5% or less, 2% or less, or 1% or less. In the following description, the droplets are treated as spherical to make the explanation easier to understand, but the same applies even if the droplets are non-spherical due to the flow channel structure or the surrounding flow.

液滴は、少なくとも標的物質の反応温度条件下で液滴の形状を維持できるだけの熱安定性を有していることが好ましい。具体例として、検出処理において、TRC法による核酸増幅を行う場合は、40℃~48℃の温度条件下で、PCR法による核酸増幅を行う場合は、50℃~100℃の温度条件下で、それぞれ、形状を維持できるだけの熱安定性を液滴が有していることが好ましい。 It is preferable that the droplets have sufficient thermal stability to maintain their shape at least under the reaction temperature conditions of the target substance. As a specific example, in the detection process, when nucleic acid amplification is performed by the TRC method, it is preferable that the droplets have sufficient thermal stability to maintain their shape under temperature conditions of 40°C to 48°C, and when nucleic acid amplification is performed by the PCR method, it is preferable that the droplets have sufficient thermal stability to maintain their shape under temperature conditions of 50°C to 100°C.

<マイクロ流路チップ>
本開示のマイクロ流路チップは、分散相液保持部、分散相液流路、連続相液保持部、連続相液流路、エマルジョン形成部、エマルジョン流路、及び排出口、並びに随意にエマルジョン保持流路を有している。分散相液保持部が、分散相液流路を介して、エマルジョン形成部に接続しており、連続相液保持部が、連続相液流路を介して、エマルジョン形成部に接続しており、エマルジョン形成部が、エマルジョン流路を介して、排出口に接続している。マイクロ流路チップがエマルジョン保持流路を有する態様については、上述したとおりである。
<Microfluidic Chip>
The micro-channel chip of the present disclosure has a dispersed phase liquid holding section, a dispersed phase liquid flow path, a continuous phase liquid holding section, a continuous phase liquid flow path, an emulsion forming section, an emulsion flow path, and an outlet, and optionally an emulsion holding flow path. The dispersed phase liquid holding section is connected to the emulsion forming section via the dispersed phase liquid flow path, the continuous phase liquid holding section is connected to the emulsion forming section via the continuous phase liquid flow path, and the emulsion forming section is connected to the outlet via the emulsion flow path. The aspects in which the micro-channel chip has an emulsion holding flow path are as described above.

分散相液保持部、分散相液流路、連続相液保持部、連続相液流路、エマルジョン形成部、エマルジョン流路、及び排出口、並びに随意のエマルジョン保持流路は、互いに流体的に接続され、全体として1つの流路構造を形成する。 The dispersed phase liquid holding section, dispersed phase liquid flow path, continuous phase liquid holding section, continuous phase liquid flow path, emulsion forming section, emulsion flow path, and outlet, as well as the optional emulsion holding flow path, are fluidly connected to each other and together form a single flow path structure.

特には、この流路構造は、分散相液保持部、連続相液保持部、及び排出口のみを介して、外部雰囲気(特には外部大気)に接続しうるようになっている。 In particular, this flow path structure is capable of being connected to the outside atmosphere (particularly the outside atmosphere) only via the dispersed phase liquid holding portion, the continuous phase liquid holding portion, and the outlet.

本開示に係るマイクロ流路チップは、例えば、基材、及び基材の上に配置されている上部構造体を有している。好ましくは、上部構造体が、流路構造、すなわち、分散相液保持部、分散相液流路、連続相液保持部、連続相液流路、エマルジョン形成部、エマルジョン流路、随意のエマルジョン保持流路、及び排出口を有している。基材は、ガラスからできていてよい。上部構造体は、樹脂からできていてよい。マイクロ流路チップは、例えば、樹脂製の上部構造体と、マイクロ流路チップの底部を構成するガラス基材とを貼り合わせて作製することができる。 The microchannel chip according to the present disclosure has, for example, a substrate and an upper structure disposed on the substrate. Preferably, the upper structure has a channel structure, i.e., a dispersed phase liquid holding section, a dispersed phase liquid flow path, a continuous phase liquid holding section, a continuous phase liquid flow path, an emulsion forming section, an emulsion flow path, an optional emulsion holding flow path, and an outlet. The substrate may be made of glass. The upper structure may be made of resin. The microchannel chip can be fabricated, for example, by bonding a resin upper structure to a glass substrate that constitutes the bottom of the microchannel chip.

マイクロ流路チップを構成する流路の大きさ(幅及び深さなど)は、目的とする液滴の体積などを考慮して適宜決定することができ、特には、標的物質の反応形態を考慮して適宜決定することができる。例えば、標的物質がDNAやRNAなどの核酸であり、標的物質の反応が当該核酸のデジタル増幅反応(1分子単位での増幅反応)である場合は、pL又はnLオーダーの液滴を作製することが必要なため、エマルジョン形成部の周辺の流路の幅及び深さが、それぞれ、0.1μm~1000μm、特には1μm~300μmの範囲であることが好ましい。 The size (width, depth, etc.) of the flow channel constituting the microchannel chip can be appropriately determined taking into consideration the volume of the desired droplets, and in particular the reaction form of the target substance. For example, when the target substance is a nucleic acid such as DNA or RNA, and the reaction of the target substance is a digital amplification reaction of the nucleic acid (amplification reaction at the single molecule level), it is necessary to produce droplets on the order of pL or nL, so the width and depth of the flow channel around the emulsion formation section are preferably in the range of 0.1 μm to 1000 μm, and in particular 1 μm to 300 μm.

マイクロ流路チップは、流路構造を正確かつ容易に作製可能なモールディング若しくはエンボッシングなどの鋳型を用いた技術、又は、フォトリソグラフィー、ソフトフォトリソグラフィー、ウェットエッチング、ドライエッチング、ナノインプリンティング、レーザー加工、電子線直接描画、積層造形法(Additive Manufacturing、AM)、機械加工など、当業者が通常用いる技術を組み合わせて作製することができる。 Microchannel chips can be fabricated by combining techniques using molds, such as molding or embossing, which can accurately and easily fabricate channel structures, or techniques commonly used by those skilled in the art, such as photolithography, soft photolithography, wet etching, dry etching, nanoimprinting, laser processing, direct electron beam imaging, additive manufacturing (AM), and machining.

マイクロ流路チップの作製に用いる材料として、PDMS(ポリジメチルシロキサン)及びアクリルなどのポリマー材料、ステンレスなどの金属材料、ガラス、シリコーン、セラミックスなどがあげられる。これらの中でも、ポリマー材料は、流路自体を安価に作製でき、ディスポーザブルな態様としやすい。したがって、ポリマー材料を少なくとも部分的に用いることが好ましい。 Materials used to fabricate microchannel chips include polymer materials such as PDMS (polydimethylsiloxane) and acrylic, metal materials such as stainless steel, glass, silicone, ceramics, etc. Among these, polymer materials allow the flow channels themselves to be fabricated inexpensively and are easy to make in a disposable form. Therefore, it is preferable to use polymer materials at least in part.

なお、マイクロ流路チップを構成する流路は、少なくとも分散相液に対して親和性の低い流路壁面にすることができる。分散相液に対して親和性の低い材料を用いてマイクロ流路チップを作製してもよく、分散相液に対して親和性の低い材料で流路壁面に相当する部分を表面処理してもよい。例えば、PDMS(ポリジメチルシロキサン)、アクリル、シクロオレフィンポリマー、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)などのポリマー材料を用いてマイクロ流路チップを作製してもよく、炭化水素系シラン化剤、フッ化炭素系シラン化剤等によって流路壁面の表面処理を行なってもよい。 The flow channels constituting the microchannel chip can have a flow channel wall surface with low affinity for at least the dispersed phase liquid. The microchannel chip may be fabricated using a material with low affinity for the dispersed phase liquid, and the portion corresponding to the flow channel wall surface may be surface treated with a material with low affinity for the dispersed phase liquid. For example, the microchannel chip may be fabricated using a polymer material such as PDMS (polydimethylsiloxane), acrylic, cycloolefin polymer, or PTFE (polytetrafluoroethylene), and the flow channel wall surface may be surface treated with a hydrocarbon-based silanizing agent, a fluorocarbon-based silanizing agent, or the like.

(分散相液保持部)
分散相液保持部は、エマルジョンを生成するための材料となる分散相液を保持する部分である。分散相液保持部は、例えば、マイクロ流路チップの使用状態において鉛直方向に延在する穴部及び/又はウェルであってよく、この穴部及び/又はウェル内に、分散相液を供給しかつ保持することができるようになっている。分散相液保持部は、例えば、直径0.1mm~20mmの穴部及び/又はウェルから構成されていてよい。分散相液保持部が穴部及びウェルから構成される場合、鉛直方向に延在するウェルが、鉛直方向に延在する穴部を介して、分散相液流路に接続することができる。
(Dispersed phase liquid holding section)
The dispersed phase liquid holding portion is a portion that holds the dispersed phase liquid that is a material for producing an emulsion. The dispersed phase liquid holding portion may be, for example, a hole and/or a well that extends in the vertical direction when the microchannel chip is in use, and the dispersed phase liquid can be supplied to and held in the hole and/or well. The dispersed phase liquid holding portion may be composed of, for example, a hole and/or a well having a diameter of 0.1 mm to 20 mm. When the dispersed phase liquid holding portion is composed of a hole and a well, the well extending in the vertical direction can be connected to the dispersed phase liquid flow path via the hole extending in the vertical direction.

図3は、本開示に係る分散相液保持部の1つの実施態様を示す断面概略図である。図3は、理解を容易にするための概略図であり、縮尺どおりではない。図3のHは高さ方向であり、Lは長さ方向である。図3に示されている分散相液保持部300は、ウェル31及び穴部33を有している。ウェル31が、穴部33を介して、分散相液流路115に接続している。ウェル31及び穴部33は、高さ方向(ここでは鉛直方向)に延在している。図3の符号35は、ウェルの底面と穴部とのつなぎ目である拡張部位を示す。図3の実施態様では、ウェル31の底面が、穴部33の延在方向(特には拡張部位35近傍における穴部33の側壁)に対して垂直に延在している。 3 is a cross-sectional schematic diagram showing one embodiment of a dispersed phase liquid retaining portion according to the present disclosure. FIG. 3 is a schematic diagram for ease of understanding and is not drawn to scale. In FIG. 3, H is the height direction, and L is the length direction. The dispersed phase liquid retaining portion 300 shown in FIG. 3 has a well 31 and a hole portion 33. The well 31 is connected to the dispersed phase liquid flow path 115 via the hole portion 33. The well 31 and the hole portion 33 extend in the height direction (here, the vertical direction). The reference numeral 35 in FIG. 3 indicates an extension portion that is a joint between the bottom surface of the well and the hole portion. In the embodiment of FIG. 3, the bottom surface of the well 31 extends perpendicular to the extension direction of the hole portion 33 (particularly the side wall of the hole portion 33 near the extension portion 35).

分散相液保持部に関しては、下記に従ってさらなる最適化を行うことが好ましい。 With regard to the dispersed phase liquid holding section, it is preferable to further optimize it as follows:

送液中の駆動力としては、主に、送液圧力(陰圧)及び/又は液面差圧(静水圧)及び/又は毛細管力(キャピラリー力)が働く。このうち、毛細管力は、送液中の流路下流(特にはエマルジョン保持流路)の気液界面(及び固液界面)の表面張力と各保持部内の気液界面(及び固液界面)の表面張力の差によって決定される。すなわち、各保持部における気液界面の形状(壁面への濡れ挙動)によって流路内送液速度などが変化するため、特に、流路内の気液界面を制御することによって送液(エマルジョン生成及び保持)を行うエマルジョン充填法において、各保持部の形状は、安定な送液を実現するための重要な因子である。特に、一般的なエマルジョン生成チップでは、少なくともエマルジョン形成部の流路壁面を分散相液に対して親和性の低い表面(分散相液が水性液体であれば疎水表面)にすることで安定なエマルジョン生成が実施可能となるため、チップ製造コストの観点から流路内表面処理や別基板を組み合わせていない場合、分散相液保持部の壁面も分散相液に対して親和性の低い表面になるのが一般的である。このとき、分散相液保持部において界面形状の変化に伴う気液界面の表面張力の変化量が大きくなるため、送液への影響がより大きくなる。 The driving forces during liquid transfer are mainly liquid transfer pressure (negative pressure) and/or liquid level differential pressure (hydrostatic pressure) and/or capillary force. Of these, the capillary force is determined by the difference in surface tension between the gas-liquid interface (and solid-liquid interface) downstream of the flow path (particularly the emulsion-holding flow path) during liquid transfer and the gas-liquid interface (and solid-liquid interface) in each holding part. In other words, since the liquid transfer speed in the flow path changes depending on the shape of the gas-liquid interface in each holding part (wetting behavior on the wall surface), the shape of each holding part is an important factor for realizing stable liquid transfer, especially in the emulsion filling method in which liquid transfer (emulsion generation and retention) is performed by controlling the gas-liquid interface in the flow path. In particular, in a typical emulsion generation chip, stable emulsion generation can be achieved by making at least the flow channel wall surface of the emulsion formation section a surface with low affinity to the dispersed phase liquid (a hydrophobic surface if the dispersed phase liquid is an aqueous liquid). Therefore, in the case where surface treatment within the flow channel or a separate substrate is not combined from the viewpoint of chip manufacturing costs, the wall surface of the dispersed phase liquid holding section also generally has a surface with low affinity to the dispersed phase liquid. In this case, the change in the surface tension of the gas-liquid interface due to the change in the interface shape in the dispersed phase liquid holding section increases, which has a greater impact on liquid transfer.

上述のような毛細管力の変化を低減する観点からは、実質的に壁面に不連続な形状が無く、垂直方向に延在する穴部及び/又はウェルが好ましい。また、分散相液保持部の分散相液の残量が少なくなると、気液界面が保持部のウェルの底面に実質的に接触し界面形状が変化しやすくなるため、その影響を低減するため流路と直接流体接続している穴部及び/又はウェルの口径は小さい方が好ましく、例えば5mm以下、より好ましくは2mm以下、特に好ましくは1mm以下であってよい。一方で分散相液流路と直接流体接続している穴部又はウェルから径を拡張することで分散相液の保持量を増加させることもできるが、この場合は、気液界面が拡張部位付近に存在すると気液界面形状が変化しやすい。したがって、1つの好ましい態様として、拡張部位の形状を調整することができ、かつ/又は流路と直接流体接続している穴部若しくはウェルの拡張部位までの高さを小さくすることができ、例えば3mm以下、より好ましくは1mm以下、特に好ましくは0.5mm以下とすることができる。さらに、分散相液の供給量が少なく及び/又は分散相液保持部周辺のチップ外部表面が分散相液に対して親和性が低く、かつ外部送液駆動力が排出口への陰圧印加である場合には、穴部のみの構成として、穴部に半球面状となるように分散相液を供給すると、チップ壁面への接触面積を最小限とし、分散相液の残量が少なくなっても気液界面の形状の変化を抑制できるため好ましい。 From the viewpoint of reducing the change in the capillary force as described above, it is preferable that the hole and/or well have substantially no discontinuous shape on the wall surface and extend in the vertical direction. In addition, when the remaining amount of the dispersed phase liquid in the dispersed phase liquid holding portion becomes small, the gas-liquid interface substantially comes into contact with the bottom surface of the well of the holding portion, and the interface shape is likely to change. In order to reduce this effect, it is preferable that the diameter of the hole and/or well that is directly fluidly connected to the flow path is small, for example, 5 mm or less, more preferably 2 mm or less, and particularly preferably 1 mm or less. On the other hand, it is also possible to increase the amount of dispersed phase liquid held by expanding the diameter from the hole or well that is directly fluidly connected to the dispersed phase liquid flow path, but in this case, if the gas-liquid interface is present near the expansion portion, the gas-liquid interface shape is likely to change. Therefore, as one preferred embodiment, the shape of the expansion portion can be adjusted and/or the height of the hole or well that is directly fluidly connected to the flow path to the expansion portion can be reduced, for example, to 3 mm or less, more preferably 1 mm or less, and particularly preferably 0.5 mm or less. Furthermore, when the amount of dispersed phase liquid supplied is small and/or the external surface of the chip around the dispersed phase liquid holding portion has low affinity for the dispersed phase liquid, and the external liquid delivery driving force is the application of negative pressure to the outlet, it is preferable to configure only the hole and supply the dispersed phase liquid to the hole so that it forms a hemispherical shape, since this minimizes the contact area with the chip wall surface and suppresses changes in the shape of the gas-liquid interface even when the remaining amount of dispersed phase liquid becomes small.

(分散相液の供給)
本開示に係る方法は、分散相液保持部に分散相液を供給することを含む。
(Supply of Dispersed Phase Liquid)
The method according to the present disclosure includes providing a dispersed phase liquid to a dispersed phase liquid holding portion.

分散相液保持部に分散相液を供給するために、分散相液を保持するために別個に用意される別容器(相液保持容器)を用いることもできる。このような容器は、保管中及び操作中における液の流出を防止する観点から、分散相液を保持した状態で完全に又は可変的に密閉されていることが好ましい。 To supply the dispersed phase liquid to the dispersed phase liquid holding section, a separate container (phase liquid holding container) can be used to hold the dispersed phase liquid. From the viewpoint of preventing the liquid from leaking during storage and operation, it is preferable that such a container is completely or variably sealed while holding the dispersed phase liquid.

また、分散相液の供給(及び/又は連続相液の供給)は、分注手段によって行うことができる。分注手段の使用は、分散相液の残量を抑制し、かつ測定時間及び/又は試薬(分散相液)間のコンタミを抑制できる点で、好ましい。 The supply of the dispersed phase liquid (and/or the supply of the continuous phase liquid) can be performed by a dispensing means. The use of a dispensing means is preferable in that it can reduce the amount of residual dispersed phase liquid and can reduce the measurement time and/or contamination between reagents (dispersed phase liquids).

例えば、分注手段を用いて各保持部に各相液を滴下し、又は、各保持部の壁面に沿って各相液を導入することができる。これは、送液を陰圧で行う場合に、特に有利である。従来の供給方法、特に、各保持部にチューブ又はマニフォールドを流体接続(又は密閉接続)させて各保持部への液導入及び送液圧力を同時に行う方法では、接続時の不意の圧力変動及び圧力の安定化までに要する時間に起因して、分散相液及び連続相液の進行を正確に制御することが容易でなく、流路閉塞なく分散相液と連続相液とを接触させることが困難であった。これに対して、分注手段を用い、かつ送液を陰圧で行う場合には、各保持部に相液供給用装置及び圧力源を接続する際の圧力の変動がなくなるので、陰圧適用前の各相液の移動及び分散相液と連続相液との接触をより正確に制御することが可能となり、結果として、気泡の発生をさらに効果的に抑制することができる。 For example, each phase liquid can be dropped into each holding part using a dispensing means, or each phase liquid can be introduced along the wall surface of each holding part. This is particularly advantageous when the liquid is delivered under negative pressure. In conventional supply methods, particularly in methods in which a tube or manifold is fluidly connected (or hermetically connected) to each holding part to simultaneously introduce liquid into each holding part and apply liquid delivery pressure, it is not easy to accurately control the progress of the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid due to unexpected pressure fluctuations at the time of connection and the time required for the pressure to stabilize, and it is difficult to bring the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid into contact without blocking the flow path. In contrast, when a dispensing means is used and the liquid is delivered under negative pressure, there is no pressure fluctuation when connecting a phase liquid supply device and a pressure source to each holding part, so it is possible to more accurately control the movement of each phase liquid and the contact between the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid before the application of negative pressure, and as a result, the generation of bubbles can be more effectively suppressed.

分注手段は、相液保持部における圧力変動を生じないものであることが好ましい。分注手段は、例えばピペットであってよい。好ましくは、分注手段(特に、分注手段を構成する液吐出口)が、各保持部に対して流体接続(密閉接続)されておらず、空間的に離されている。 It is preferable that the dispensing means does not cause pressure fluctuations in the liquid holding portion. The dispensing means may be, for example, a pipette. It is preferable that the dispensing means (particularly the liquid outlet constituting the dispensing means) is not fluidically connected (sealed connected) to each holding portion, but is spatially separated.

例えば、分注手段は、ポンプ、アクチュエーター、ピペットを含む機構であってよく、別容器に保持された各相液をポンプによって吸い上げ、アクチュエーターによって各保持部までピペット先端を移動した後、ポンプによって各保持部に各相液を押し出す動作を行うことが好ましい。加えて、各相液が接触したピペット等の一部は、取り外し可能で使用毎に取り換えることができると、コンタミが抑制できるので好ましい。さらに、分注手段のポンプを送液手段として併用すると、装置構成が簡便化できるため好ましい。また、繰り返し使用が意図される場合、使い捨てのピペットを含む分注手段によって相液を添加しても良いし、共通のラインを使用して相液保持容器からマイクロ流路チップへ添加を行っても良い。後者の場合、連続相液への分散相液のコンタミ抑制のため、マイクロ流路チップへの接続部までの共用のラインを洗浄する工程を含んでいることが好ましい。また、ピペットを含まない分注手段として、外力によって、相液を保持した容器から直接保持部に各液体を添加(滴下)する方法も好ましい(例えば、容器の熱圧着した部位を圧力によって破断させ容器内の液体を押し出す手段など)。また、例えばTRC反応やPCR反応を行う場合、水溶液サンプルの精製手段や調製手段として分注手段を併用してもよい。 For example, the dispensing means may be a mechanism including a pump, an actuator, and a pipette. It is preferable that the pump sucks up each phase liquid held in a separate container, moves the tip of the pipette to each holding part by the actuator, and then pushes each phase liquid into each holding part by the pump. In addition, it is preferable that a part of the pipette etc. that comes into contact with each phase liquid is removable and can be replaced after each use, since this can suppress contamination. Furthermore, it is preferable to use the pump of the dispensing means as a liquid delivery means, since this can simplify the device configuration. In addition, when repeated use is intended, the phase liquid may be added by a dispensing means including a disposable pipette, or a common line may be used to add the phase liquid from the phase liquid holding container to the microchannel chip. In the latter case, it is preferable to include a step of washing the shared line up to the connection part to the microchannel chip in order to suppress contamination of the dispersed phase liquid with the continuous phase liquid. As a dispensing means that does not include a pipette, a method is also preferred in which each liquid is added (dropped) directly from a container that holds the phase liquid to the holding part by an external force (for example, a means for pushing out the liquid inside the container by breaking a thermocompression-bonded part of the container by pressure). In addition, when performing a TRC reaction or a PCR reaction, for example, a dispensing means may be used in combination as a purification means or a preparation means for an aqueous solution sample.

(分散相液流路)
分散相液流路は、分散相液保持部とエマルジョン形成部とを接続している。分散相液流路は、分散相液がその中を通るように構成されている。なお、分散相液に加えて連続相液が分散相液流路を通ることを想定することもできる。
(Dispersed phase liquid flow path)
The dispersed phase liquid flow path connects the dispersed phase liquid holding section and the emulsion forming section. The dispersed phase liquid flow path is configured so that the dispersed phase liquid passes therethrough. It is also possible to assume that in addition to the dispersed phase liquid, the continuous phase liquid passes through the dispersed phase liquid flow path.

分散相液流路の寸法は、使用する分散相液の種類及び特性などに応じて適宜設定することができる。分散相液流路は、例えば、10~500μm、又は50~200μmの幅を有することができ、1mm~500mm、又は10~200mmの長さを有することができる。また、分散相液流路は、1~200μm、又は10~100μmの流路高さを有することができる。分散相液流路は、1つ以上の場所で屈曲してもよく、蛇行形状を有してもよい。 The dimensions of the dispersed phase liquid flow path can be set appropriately depending on the type and characteristics of the dispersed phase liquid used. The dispersed phase liquid flow path can have a width of, for example, 10 to 500 μm, or 50 to 200 μm, and a length of 1 mm to 500 mm, or 10 to 200 mm. The dispersed phase liquid flow path can also have a flow path height of 1 to 200 μm, or 10 to 100 μm. The dispersed phase liquid flow path may be bent at one or more locations, and may have a serpentine shape.

本開示に係るマイクロ流路チップは、2つ以上の分散相液保持部、及びそれらにそれぞれ対応する2つ以上の分散相液流路を有することができる。 The microchannel chip according to the present disclosure can have two or more dispersed phase liquid holding sections and two or more dispersed phase liquid flow channels corresponding to the two or more dispersed phase liquid holding sections.

特には、本開示に係るマイクロ流路チップが、第一分散相液保持部及び第二分散相液保持部を有し、分散相液流路が、第一分散相液保持部に接続されている第一分散相液流路、第二分散相液保持部に接続されている第二分散相液流路、及び分散相液合流部を含む。第一分散相液流路及び第二分散相液流路は、それぞれ、分散相液合流部を介して、エマルジョン形成部に接続する。 In particular, the microchannel chip according to the present disclosure has a first dispersed phase liquid holding section and a second dispersed phase liquid holding section, and the dispersed phase liquid flow path includes a first dispersed phase liquid flow path connected to the first dispersed phase liquid holding section, a second dispersed phase liquid flow path connected to the second dispersed phase liquid holding section, and a dispersed phase liquid junction section. The first dispersed phase liquid flow path and the second dispersed phase liquid flow path are each connected to an emulsion forming section via the dispersed phase liquid junction section.

2つ以上の分散相液保持部を用いることによって、例えば、分析用試料を含有する反応液と、検出用試薬を含有する反応液とを、別個にマイクロ流路チップに供給し、液滴を生成する直前まで両者が混合しないようにすることができる。これは、反応開始のタイミングをより良好に制御することができるので、好ましい。 By using two or more dispersed phase liquid holders, for example, a reaction liquid containing an analysis sample and a reaction liquid containing a detection reagent can be supplied separately to the microchannel chip, and the two can be prevented from mixing until just before droplets are generated. This is preferable because it allows better control of the timing of the reaction start.

上述の分散相液合流部を有するマイクロ流路チップにおいて、分散相液と連続相液との接触の前に、分散相液を気体で充填された状態の分散相液流路を通してエマルジョン形成部(又はエマルジョン形成部への流入部)にまで移動させ、かつ連続相液を気体で充填された状態の連続相液流路を通してエマルジョン形成部にまで移動させる場合には、第一分散相液保持部及び第二分散相液保持部にそれぞれ供給された第一分散相液及び第二分散相液を、分散相液合流部で合流させることが好ましい。 In the microchannel chip having the above-mentioned dispersed phase liquid confluence section, when the dispersed phase liquid is moved to the emulsion forming section (or the inlet section to the emulsion forming section) through the dispersed phase liquid flow path filled with gas before contact between the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid, and the continuous phase liquid is moved to the emulsion forming section through the continuous phase liquid flow path filled with gas, it is preferable that the first dispersed phase liquid and the second dispersed phase liquid supplied to the first dispersed phase liquid holding section and the second dispersed phase liquid holding section, respectively, are joined at the dispersed phase liquid confluence section.

分散相液合流部で気泡による流路閉塞が起こると、エマルジョンの生成を行うことができなくなくおそれがある。特に陰圧で送液を行う場合には、一般的に水溶性である分散相液の性質に起因して、気泡による流路閉塞を解消することが容易ではない。第一分散相液保持部及び第二分散相液保持部にそれぞれ供給された第一分散相液及び第二分散相液を分散相液合流部で合流させることによって、このような問題を回避することが可能となる。 If air bubbles cause blockage of the flow path at the dispersed phase liquid confluence, it may not be possible to produce an emulsion. In particular, when liquid is delivered under negative pressure, it is not easy to eliminate blockage of the flow path caused by air bubbles due to the nature of the dispersed phase liquid, which is generally water-soluble. By having the first dispersed phase liquid and the second dispersed phase liquid supplied to the first dispersed phase liquid holding section and the second dispersed phase liquid holding section, respectively, merge at the dispersed phase liquid confluence, it is possible to avoid such problems.

また、上述の分散相液合流部を有するマイクロ流路チップにおいて、接触の前に、連続相液を気体で充填された状態の連続相液流路、エマルジョン形成部、及び分散相液流路を通して分散相液保持部にまで移動させる場合、第一分散相液保持部及び第二分散相液保持部の両方に連続相液を移動させることが好ましい。 In addition, in the microchannel chip having the above-mentioned dispersed phase liquid confluence section, when the continuous phase liquid is moved to the dispersed phase liquid holding section through the continuous phase liquid flow path filled with gas, the emulsion forming section, and the dispersed phase liquid flow path before contact, it is preferable to move the continuous phase liquid to both the first dispersed phase liquid holding section and the second dispersed phase liquid holding section.

(連続相液保持部)
連続相液保持部は、エマルジョンを生成するための材料となる連続相液を保持する部分である。連続相液保持部の構造は、連続相液を保持することができれば特に限定されない。連続相液保持部は、穴部又はウェルであってよく、例えば垂直方向に延在する穴部又はウェルであってよく、この穴部又はウェル内に連続相液を供給し、かつ保持することができるようになっている。連続相液保持部は、例えば、直径0.1mm~20mmの穴部又はウェルであってよい。
(Continuous phase liquid holding section)
The continuous phase liquid holding portion is a portion that holds the continuous phase liquid that is a material for producing an emulsion. The structure of the continuous phase liquid holding portion is not particularly limited as long as it can hold the continuous phase liquid. The continuous phase liquid holding portion may be a hole or well, for example, a hole or well extending in a vertical direction, and the continuous phase liquid can be supplied into and held in this hole or well. The continuous phase liquid holding portion may be, for example, a hole or well having a diameter of 0.1 mm to 20 mm.

なお、連続相液は、一般に表面張力及び粘性が小さい液体を使用するため、連続相液保持部における界面形状の変化に伴う表面張力の変化量は小さい。したがって、連続相液保持部の形状は、送液に大きな影響を与えない。加えて、本発明において例えばエマルジョンを保持し検出反応などを行う場合、連続相液保持部の連続相液が枯渇しないように十分な量の連続相液を供給するため、送液中に保持部の連続相液の残量が少なくなり界面形状が変化しやすい状況になることもない。したがって、やはり、連続相液保持部の形状は、送液に大きな影響は与えにくい。 In addition, since the continuous phase liquid generally uses a liquid with low surface tension and viscosity, the amount of change in surface tension accompanying a change in the interface shape in the continuous phase liquid holding section is small. Therefore, the shape of the continuous phase liquid holding section does not have a significant effect on the liquid transfer. In addition, in the present invention, for example, when an emulsion is held and a detection reaction is performed, a sufficient amount of continuous phase liquid is supplied so that the continuous phase liquid in the continuous phase liquid holding section does not run out, so that the remaining amount of continuous phase liquid in the holding section does not decrease during liquid transfer, and the interface shape is not likely to change. Therefore, the shape of the continuous phase liquid holding section is unlikely to have a significant effect on the liquid transfer.

(連続相液の供給)
本開示に係る方法は、連続相液保持部に連続相液を供給することを含む。
(Continuous phase liquid supply)
The method according to the present disclosure includes providing a continuous phase liquid to a continuous phase liquid holding portion.

連続相液の供給は、分散相液の供給に関して上述したのと同様に、別容器を用いて、かつ/又は分注手段によって、行うことができる。例えば、分注手段を用いて保持部に相液を滴下し、又は、保持部の壁面に沿って相液を導入することができる。別容器、及び分注手段の詳細については、分散相液の供給に関する上記の記載を参照することができる。 The supply of the continuous phase liquid can be performed using a separate container and/or a dispensing means, as described above with respect to the supply of the dispersed phase liquid. For example, the phase liquid can be dripped into the holding section using a dispensing means, or the phase liquid can be introduced along the wall surface of the holding section. For details of the separate container and the dispensing means, please refer to the above description regarding the supply of the dispersed phase liquid.

(連続相液流路)
連続相液流路は、連続相液保持部とエマルジョン形成部とを接続している。連続相液流路は、連続相液がその中を通るように構成されている。
(Continuous phase liquid flow path)
The continuous phase liquid flow path connects the continuous phase liquid holding section and the emulsion forming section, and is configured so that the continuous phase liquid passes therethrough.

連続相液流路の寸法は、使用する連続相液の種類及び特性などに応じて適宜設定することができる。連続相液流路は、例えば、10~500μm、又は50~200μmの幅を有することができ、1mm~500mm、又は10~200mmの長さを有することができる。また、連続相液流路は、1~200μm、又は10~100μmの流路高さを有することができる。連続相液流路は、1つ以上の場所で屈曲してもよく、少なくとも部分的に蛇行形状を有してもよい。 The dimensions of the continuous phase liquid flow path can be set appropriately depending on the type and characteristics of the continuous phase liquid used. The continuous phase liquid flow path can have a width of, for example, 10 to 500 μm, or 50 to 200 μm, and a length of 1 mm to 500 mm, or 10 to 200 mm. The continuous phase liquid flow path can also have a flow path height of 1 to 200 μm, or 10 to 100 μm. The continuous phase liquid flow path may be bent at one or more locations, and may have an at least partially serpentine shape.

マイクロ流路チップは、2つ以上の連続相液流路を有することができる。特には、本開示に係るマイクロ流路チップが、第一連続相液流路及び第二連続相液流路を有しており、これらの流路が、それぞれ、連続相液保持部とエマルジョン形成部とを接続している。 The microchannel chip can have two or more continuous phase liquid flow paths. In particular, the microchannel chip according to the present disclosure has a first continuous phase liquid flow path and a second continuous phase liquid flow path, and these flow paths connect the continuous phase liquid holding section and the emulsion forming section, respectively.

図1の例示的な実施態様を参照すると、連続相液流路111が2つの流路(第一連続相液流路112及び第二連続相液流路113)から構成されている。これら2つの流路112、113は、エマルジョン形成部120において互いに対向するようになっており、かつ、エマルジョン形成部120に接続している分散相液流路(より正確には、分散相液合流部116)に対して実質的に直交するようになっている。図1の実施態様では、第一連続相液流路112と第二連続相液流路113とが、実質的に同一の構造及び流路長を有しており、それにより、それぞれの流路を移動する連続相液の速度が、実質的に同一となるようになっている。また、上述のようにエマルジョン生成前における分散相液同士の混合を抑制したい場合、分散相液合流部116の下流部とエマルジョン形成部120とを連結する流路の長さは比較的短い方が好ましく(例えば、3mm以下、より好ましくは0.5mm以下)、流路内で分散相液が別々に層流状態を保っていることが好ましい。 1, the continuous phase liquid flow path 111 is composed of two flow paths (first continuous phase liquid flow path 112 and second continuous phase liquid flow path 113). These two flow paths 112, 113 are arranged to face each other in the emulsion forming section 120, and are substantially perpendicular to the dispersed phase liquid flow path (more precisely, the dispersed phase liquid junction section 116) connected to the emulsion forming section 120. In the embodiment of FIG. 1, the first continuous phase liquid flow path 112 and the second continuous phase liquid flow path 113 have substantially the same structure and flow path length, so that the speed of the continuous phase liquid moving through each flow path is substantially the same. In addition, when it is desired to suppress the mixing of the dispersed phase liquids before the emulsion is generated as described above, it is preferable that the length of the flow path connecting the downstream part of the dispersed phase liquid junction section 116 and the emulsion forming section 120 is relatively short (for example, 3 mm or less, more preferably 0.5 mm or less), and it is preferable that the dispersed phase liquids are kept in a laminar state separately within the flow path.

(エマルジョン形成部)
エマルジョン形成部は、エマルジョンを生成するように構成されている。エマルジョン形成部は、分散相液流路及び連続相液流路を介して、それぞれ分散相液及び連続相液の供給を受ける。また、エマルジョン形成部は、エマルジョン流路に接続されており、エマルジョン形成部で生成されたエマルジョンが、エマルジョン流路に送られる。
(Emulsion forming section)
The emulsion forming section is configured to generate an emulsion. The emulsion forming section is supplied with a dispersed phase liquid and a continuous phase liquid via a dispersed phase liquid flow path and a continuous phase liquid flow path, respectively. The emulsion forming section is also connected to the emulsion flow path, and the emulsion generated in the emulsion forming section is sent to the emulsion flow path.

エマルジョン形成部は、分散相液流路へと開く1又は複数の開口部、及び、連続相液流路へと開く1又は複数の開口部を有することができる。また、エマルジョン形成部は、エマルジョン流路へと開く1又は複数の開口部を有することができる。 The emulsion forming section may have one or more openings that open into the dispersed phase liquid flow path and one or more openings that open into the continuous phase liquid flow path. The emulsion forming section may also have one or more openings that open into the emulsion flow path.

図1の例示的な実施態様を参照して、エマルジョン形成部について説明する。図1のエマルジョン形成部120では、2つの流路112、113から構成される連続相液流路111と、分散相液流路(より正確には、分散相液合流部116)とが、実質的に直交している。外部送液駆動力(陰圧)の適用の間に、連続相液が、2つの互いに実質的に対向する方向からエマルジョン形成部120へと流入し、かつ、分散相液が、連続相液の流入方向に対して実質的に直交する方向でエマルジョン形成部120に流入する。その結果、エマルジョン形成部120において、連続相に分散した液滴(すなわちエマルジョン)が生成される。エマルジョン充填法では、このようにして生成されたエマルジョンが、エマルジョン流路130を通って、気体で充填されているエマルジョン保持流路140に進入する(図2参照)。 The emulsion forming section will be described with reference to the exemplary embodiment of FIG. 1. In the emulsion forming section 120 of FIG. 1, the continuous phase liquid flow path 111 consisting of two flow paths 112, 113 and the dispersed phase liquid flow path (more precisely, the dispersed phase liquid junction 116) are substantially perpendicular to each other. During the application of an external liquid delivery driving force (negative pressure), the continuous phase liquid flows into the emulsion forming section 120 from two substantially opposite directions, and the dispersed phase liquid flows into the emulsion forming section 120 in a direction substantially perpendicular to the inflow direction of the continuous phase liquid. As a result, in the emulsion forming section 120, droplets dispersed in the continuous phase (i.e., emulsion) are generated. In the emulsion filling method, the emulsion thus generated passes through the emulsion flow path 130 and enters the emulsion holding flow path 140, which is filled with gas (see FIG. 2).

エマルジョン形成部は、T-janction、Flow-Focus、co-flow、step-emulsificationなどの一般的な液滴生成法を利用した流路を適宜用いることができる。迅速にエマルジョンを生成するために、複数のエマルジョン形成部を並列して配置してもよい。また、エマルジョン中の液滴を攪拌させるための蛇行流路などを備えていてもよい。 The emulsion forming section may appropriately use a flow path that utilizes a common droplet generation method such as T-junction, flow-focus, co-flow, or step-emulsification. To generate emulsion quickly, multiple emulsion forming sections may be arranged in parallel. In addition, the emulsion forming section may be equipped with a serpentine flow path for stirring the droplets in the emulsion.

(エマルジョン流路)
エマルジョン流路は、エマルジョン形成部と排出口(又はエマルジョン保持流路)とを接続する。エマルジョン流路のうちエマルジョン形成部に隣接する部位は、好ましくは、分散相液流路(特には分散相液合流部)に対向するように配置される。図1は、そのような態様のエマルジョン流路を示している。また、図1では、エマルジョン流路のうちエマルジョン形成部に隣接する部位が、連続相液流路のエマルジョン形成部への流入部に対して、実質的に直交している。図1の場合、エマルジョンが生成される際に、分散相液流路からエマルジョン形成部に流入してくる分散相液が液滴となり、そのまま流れの角度を変えずに、エマルジョン流路に進入する。
(Emulsion flow path)
The emulsion flow path connects the emulsion forming section and the outlet (or emulsion holding flow path). The portion of the emulsion flow path adjacent to the emulsion forming section is preferably arranged to face the dispersed phase liquid flow path (particularly the dispersed phase liquid junction). FIG. 1 shows an emulsion flow path of such an embodiment. In addition, in FIG. 1, the portion of the emulsion flow path adjacent to the emulsion forming section is substantially perpendicular to the inlet portion of the continuous phase liquid flow path to the emulsion forming section. In the case of FIG. 1, when an emulsion is generated, the dispersed phase liquid flowing from the dispersed phase liquid flow path to the emulsion forming section becomes droplets, and enters the emulsion flow path without changing the flow angle.

エマルジョン流路は、エマルジョン形成部に隣接する部位の下流側(排出口の方向)で、拡張した幅及び/又は高さを有する流路を有することができ、かつ/又は蛇行していることができる。このような態様によれば、液滴中での攪拌を促進することができるので、好ましい。 The emulsion flow path may have an expanded width and/or height downstream (toward the outlet) of the portion adjacent to the emulsion formation section, and/or may be serpentine. This is preferred because it can promote agitation within the droplets.

(エマルジョン保持流路)
上述のとおり、本開示に係る実施態様の1つでは、マイクロ流路チップがエマルジョン保持流路を有する。エマルジョン保持流路は、エマルジョン流路を介してエマルジョン形成部に接続しており、エマルジョン形成部で生成されたエマルジョンを保持する機能を有している。また、エマルジョン保持流路は、随意に排出口連通流路を介して、排出口に接続されている。
(Emulsion holding channel)
As described above, in one embodiment of the present disclosure, the microchannel chip has an emulsion holding channel. The emulsion holding channel is connected to the emulsion forming section via an emulsion channel and has a function of holding the emulsion generated in the emulsion forming section. The emulsion holding channel is also optionally connected to an outlet via an outlet-connected channel.

エマルジョン保持流路の幅及び長さは、保持する液滴の体積・数等に合わせて適宜設定することができ、例えば、幅と長さとがほぼ同等の幅広い単純な流路にしてもよく、連続した単一の長い流路を蛇行状又は渦巻き状に配列させてもよく、分岐させた直線流路を並行させてもよい。 The width and length of the emulsion-holding flow channel can be set appropriately according to the volume and number of droplets to be held. For example, it may be a wide, simple flow channel with approximately the same width and length, a single continuous long flow channel arranged in a serpentine or spiral shape, or branched linear flow channels arranged in parallel.

本発明において、エマルジョン保持流路の流路断面は、液滴の中心が流路の中心に沿って流れやすいため、円状、半円状、楕円状、凸型、凹型、長方形、台形が好ましい。 In the present invention, the cross section of the emulsion-holding flow channel is preferably circular, semicircular, elliptical, convex, concave, rectangular, or trapezoidal, since the center of the droplets tends to flow along the center of the flow channel.

エマルジョン充填法では、一般に、エマルジョン保持流路内の気液界面の移動を制御することでエマルジョン生成と保持を同時に行うため、送液中の気液界面の形状が維持される(移動しながらもその形状に変化が小さい)ように、流路断面形状が一定で屈曲の無い直線流路であることが望ましい。しかし、検出液滴数を増加させるために流路高さに対して流路幅を極端に大きくすると、意図した流路構造を有するチップを安定して製造するのが難しく、かつ/又は、流路の底面及び/若しくは上面が変形して流路側面から遠い流路領域の高さが送液圧やチップへの固定圧などによって変化して測定に悪影響を及ぼす可能性がある(ルーフコラップス)。対策として、例えば、流路高さに対する流路幅の比は、100以下、より好ましくは50以下、25以下、特に好ましくは10以下であるのが好ましい(下記のピラーが無い場合)。あるいは、流路中央に柱(ピラー)を設けることで、流路高さに対する、柱同士の間隔及び/又は柱と流路側面の間隔の比が、例えば、100以下、より好ましくは50以下、25以下、特に好ましくは10以下であるのが好ましい。一方で、イメージセンサなどによる一括検出処理を行う場合、エマルジョン保持流路が水平面で(例えば正方形や円形に近い形で)密にパッケージされていると、検出液滴数を増加させられるため好ましい。よって、同じ流路断面形状の連続した単一の長い流路を蛇行状又は渦巻き状に配列させてもよく、分岐させた直線流路を並行させてもよい。この場合、屈曲部が存在するため送液中に界面形状が変化しやすいが、屈曲部における断面形状を調整することでその影響を低減することが可能である。 In the emulsion filling method, emulsions are generally generated and held simultaneously by controlling the movement of the gas-liquid interface in the emulsion-holding channel, so it is desirable that the channel cross-sectional shape is constant and straight without bending so that the shape of the gas-liquid interface during liquid transfer is maintained (the change in shape is small even while moving). However, if the channel width is made extremely large relative to the channel height in order to increase the number of detected droplets, it may be difficult to stably manufacture a chip having the intended channel structure, and/or the bottom and/or top of the channel may deform, causing the height of the channel region far from the side of the channel to change due to the liquid transfer pressure or the fixing pressure to the chip, which may adversely affect the measurement (roof collapse). As a countermeasure, for example, the ratio of the channel width to the channel height is preferably 100 or less, more preferably 50 or less, 25 or less, and particularly preferably 10 or less (when there are no pillars as described below). Alternatively, a pillar is provided in the center of the flow channel, and the ratio of the spacing between the pillars and/or the spacing between the pillars and the side of the flow channel to the flow channel height is, for example, 100 or less, more preferably 50 or less, 25 or less, and particularly preferably 10 or less. On the other hand, when performing a batch detection process using an image sensor or the like, it is preferable that the emulsion-holding flow channel is densely packed on a horizontal surface (for example, in a shape close to a square or circle) because this increases the number of droplets detected. Therefore, continuous single long flow channels with the same flow channel cross-sectional shape may be arranged in a meandering or spiral shape, or branched straight flow channels may be arranged in parallel. In this case, the interface shape is likely to change during liquid transfer due to the presence of a bend, but the effect of this can be reduced by adjusting the cross-sectional shape at the bend.

1つの実施態様では、保持されているエマルジョンに対して検出処理を行うことが意図されている。すなわち、エマルジョン保持流路に保持されたエマルジョンに対して、随意に、後述する検出処理を行うことができる。 In one embodiment, it is intended to perform a detection process on the held emulsion. That is, the detection process described below can be performed on the emulsion held in the emulsion holding flow channel at will.

好ましくは、エマルジョン保持流路は、保持されているエマルジョンの大部分又は全部がマイクロ流路チップの外部雰囲気(特には外部大気)に触れないように、構成されている。好ましくは、エマルジョン保持流路に保持されている液滴のうち、検出処理の対象となっている液滴が、外部雰囲気(特には外部大気)に触れないようになっている。このために、例えば、エマルジョン保持流路の流路長を比較的長く設定し、エマルジョン保持流路の下流側末端部の排出口近傍のみでエマルジョンが外部雰囲気(特には外部大気)と接触しうるようにすることができる。 Preferably, the emulsion holding flow channel is configured so that most or all of the emulsion held therein does not come into contact with the atmosphere (particularly the external atmosphere) external to the microchannel chip. Preferably, of the droplets held in the emulsion holding flow channel, the droplets that are the subject of the detection process do not come into contact with the atmosphere (particularly the external atmosphere). For this reason, for example, the length of the emulsion holding flow channel can be set relatively long so that the emulsion can come into contact with the atmosphere (particularly the external atmosphere) only near the outlet at the downstream end of the emulsion holding flow channel.

好ましくは、エマルジョン保持流路に保持されるエマルジョンが、外部雰囲気(特には外部大気)に対して密封されるようになっている。 Preferably, the emulsion held in the emulsion holding flow path is sealed against the external atmosphere (particularly the external air).

好ましくは、エマルジョン保持流路は、エマルジョン保持流路に保持されているエマルジョンに対して検出処理を行うことに適している。 Preferably, the emulsion holding flow path is suitable for performing a detection process on the emulsion held in the emulsion holding flow path.

好ましくは、エマルジョン保持流路は、外部大気に開放されていないエマルジョンに対して検出処理を行うことができるように構成されている。より具体的には、例えば、保持されているエマルジョンと検出手段との間に、エマルジョンを外部大気から隔離する構造が存在する。この構造は、例えば、光を透過する材料でできている。なお、この場合、エマルジョン保持流路に保持されているエマルジョンのうち、検出処理の対象とならないエマルジョン、例えばエマルジョン保持流路の排出口側末端部に位置するエマルジョンが、外部大気に開放されていてもよい。 Preferably, the emulsion holding flow path is configured to be capable of performing a detection process on emulsion that is not open to the outside atmosphere. More specifically, for example, between the held emulsion and the detection means, there is a structure that isolates the emulsion from the outside atmosphere. This structure is made, for example, of a material that transmits light. In this case, among the emulsions held in the emulsion holding flow path, emulsions that are not subject to the detection process, for example, emulsions located at the end of the outlet side of the emulsion holding flow path, may be open to the outside atmosphere.

好ましくは、エマルジョン保持流路の流路体積が、エマルジョン形成部で生成される液滴(特には検出処理において検出の対象となる液滴)の合計体積以上であり、かつ/又は、エマルジョン保持流路の流路体積が、1μL以上、5μL以上、若しくは10μL以上である。このようなエマルジョン保持流路によれば、検出処理を効率的に行うことができる。なお、エマルジョン保持流路の流路体積の上限は、例えば、1000μL以下であってよい。 Preferably, the flow channel volume of the emulsion holding flow channel is equal to or greater than the total volume of droplets (particularly droplets to be detected in the detection process) generated in the emulsion forming section, and/or the flow channel volume of the emulsion holding flow channel is equal to or greater than 1 μL, equal to or greater than 5 μL, or equal to or greater than 10 μL. Such an emulsion holding flow channel allows the detection process to be carried out efficiently. The upper limit of the flow channel volume of the emulsion holding flow channel may be, for example, equal to or less than 1000 μL.

好ましくは、エマルジョン保持流路が、平均体積0.1nL~10nL、特には0.3nL~3nLの液滴の液滴を、500個以上、1000個以上、2500個以上、5000個以上、若しくは10000個以上、かつ/又は100000個以下、80000個以下、60000個以下、若しくは40000個以下、保持することができる流路体積を有する。エマルジョン保持流路に保持されたこれらの液滴に対して、検出処理を行うことができる。 Preferably, the emulsion-holding flow path has a flow path volume capable of holding 500 or more, 1000 or more, 2500 or more, 5000 or more, or 10000 or more, and/or 100000 or less, 80000 or less, 60000 or less, or 40000 or less, droplets with an average volume of 0.1 nL to 10 nL, particularly 0.3 nL to 3 nL. Detection processing can be performed on these droplets held in the emulsion-holding flow path.

なお、液滴の平均体積は、デジタルカメラなどの画像取得装置を用いて明視野画像を取得し、取得された画像においてN=10以上の液滴に関して下記に基づいて算出することができる。 The average volume of droplets can be calculated by acquiring bright-field images using an image acquisition device such as a digital camera, and calculating the average volume of droplets for N=10 or more droplets in the acquired images based on the following:

球状の液滴の体積、及びディスク状の液滴の体積(それぞれVdrop及びVdisk[nL])は、それぞれ、下記の式(1)と式(2)で表わされる。なお、下記式(1)及び式(2)におけるDdrop、Ddiskは、それぞれ、マイクロ流路チップの通常の使用状態において、エマルジョン保持流路に保持されている液滴を上方から観察した場合の、球状の液滴の直径、及びディスク状の液滴の直径である。また、式(2)中、hは、エマルジョン保持流路の流路高さである。 The volumes of a spherical droplet and a disk-shaped droplet (V drop and V disk [nL], respectively) are represented by the following formulas (1) and (2). Note that D drop and D disk in the following formulas (1) and (2) respectively represent the diameters of a spherical droplet and a disk-shaped droplet when the droplets held in the emulsion holding channel are observed from above in a normal use state of the microchannel chip. In addition, in formula (2), h represents the channel height of the emulsion holding channel.

Figure 0007585960000001
Figure 0007585960000001

Figure 0007585960000002
Figure 0007585960000002

好ましくは、検出処理で使用される(カメラなどの)検出手段に対して、検出対象となるエマルジョン中の液滴が互いに重ならないようになっており、特には、検出方向に直交する平面で単層を形成している。この場合には、検出精度をさらに向上させることができる。 Preferably, the droplets in the emulsion to be detected by the detection means (such as a camera) used in the detection process do not overlap each other, and in particular form a single layer in a plane perpendicular to the detection direction. In this case, the detection accuracy can be further improved.

特に好ましくは、エマルジョン保持流路の「流路高さ」が調節されており、それにより、マイクロ流路チップの使用状態において、エマルジョン保持流路に保持される液滴が垂直方向で互いに重ならない(すなわち、単一の液滴層が形成される)ようになっている。このようなエマルジョン保持流路で検出処理を行う場合には、検出精度がさらに向上する。なお、「流路高さ」は、通常、マイクロ流路チップの使用状態において、垂直方向(鉛直方向)での流路の長さである。 Particularly preferably, the "channel height" of the emulsion-holding channel is adjusted so that, when the microchannel chip is in use, the droplets held in the emulsion-holding channel do not overlap each other in the vertical direction (i.e., a single droplet layer is formed). When a detection process is performed in such an emulsion-holding channel, the detection accuracy is further improved. Note that the "channel height" is usually the length of the channel in the vertical direction (perpendicular direction) when the microchannel chip is in use.

好ましくは、エマルジョン保持流路の流路高さが、検出処理において検出の対象となる液滴の直径に応じた寸法を有することが好ましく、例えば、液滴の直径の1/10倍~10倍、1/4倍~4倍、又は1/2倍~2倍の流路高さを有することが好ましい。また、エマルジョン保持流路の流路高さは、流路幅の1/4倍以下であってよい。なお、流路の幅は、通常、マイクロ流路チップの使用状態において流路の長さ方向に直交する水平方向での長さである。液滴の直径は、流路の幅方向で計測することができる。 The height of the emulsion-holding channel preferably has dimensions according to the diameter of the droplets to be detected in the detection process, and for example, the channel height is preferably 1/10 to 10 times, 1/4 to 4 times, or 1/2 to 2 times the diameter of the droplets. The height of the emulsion-holding channel may be 1/4 times or less of the channel width. The width of the channel is usually the length in the horizontal direction perpendicular to the length of the channel when the microchannel chip is in use. The diameter of the droplets can be measured in the width direction of the channel.

また、エマルジョン充填法では、エマルジョン形成部における連続相液と分散相液の流量比に依存してエマルジョン保持流路にエマルジョンが充填されるため、例えば、エマルジョン生成を安定させるため、分散相液に対する連続相液の流量比を大きくした場合、液滴を水平方向に密にパッケージするため流路高さを通常よりも大きく設計した方が好ましい。例えば、分散相液に対する連続相液の流量比が8~12である場合、エマルジョン保持流路の高さを、液滴の直径の2~4倍にすることができる。 In addition, in the emulsion filling method, the emulsion is filled into the emulsion holding channel depending on the flow rate ratio of the continuous phase liquid to the dispersed phase liquid in the emulsion forming section. For example, if the flow rate ratio of the continuous phase liquid to the dispersed phase liquid is increased to stabilize the emulsion production, it is preferable to design the channel height to be larger than usual in order to pack the droplets tightly in the horizontal direction. For example, if the flow rate ratio of the continuous phase liquid to the dispersed phase liquid is 8 to 12, the height of the emulsion holding channel can be 2 to 4 times the diameter of the droplets.

(送液の停止)
エマルジョン保持流路内にエマルジョンを保持するためには、例えば、エマルジョン保持流路内に所望の量のエマルジョンが充填された時点で、送液を停止し、かつ随意に排出口を閉じる。排出口を外部大気に(少なくとも部分的に)開放することによって、陰圧の適用を停止することもできる。送液の停止は、エマルジョン保持流路を充填していた気体がエマルジョンで完全に置換されてから行うこともできるが、好ましくは、エマルジョン保持流路を充填していた気体がエマルジョンで完全に置換されない間に送液の停止を行う。換言すると、流路内又は排出口内に気体―エマルジョン界面が存在する状態で、送液を停止させる。
(Stopping the liquid supply)
In order to retain the emulsion in the emulsion-holding flow channel, for example, when a desired amount of emulsion is filled in the emulsion-holding flow channel, the liquid supply is stopped and the outlet is optionally closed. The application of negative pressure can also be stopped by (at least partially) opening the outlet to the outside atmosphere. The liquid supply can be stopped after the gas filling the emulsion-holding flow channel is completely replaced with the emulsion, but it is preferable to stop the liquid supply before the gas filling the emulsion-holding flow channel is completely replaced with the emulsion. In other words, the liquid supply is stopped when a gas-emulsion interface exists in the flow channel or in the outlet.

陰圧の適用を停止する際に、排出口を外部大気に段階的に開放することによって、送液停止時の気液界面(気体―エマルジョン界面)の逆流を抑制することができる場合がある。例えば、2つの弁(特には電磁弁)の中間に空気を貯蔵した所定のタンクを別個に設けて、段階的に(例えば10kPa→5kPa→0kPaというように)送液停止を行うことができる。また、電磁弁の開放速度を調節し、開放の程度が段階的に大きくなるようにすることによって、送液停止を行うこともできる。 When the application of negative pressure is stopped, the exhaust port can be gradually opened to the outside atmosphere, which may suppress backflow at the gas-liquid interface (gas-emulsion interface) when liquid transfer is stopped. For example, liquid transfer can be stopped gradually (e.g., 10 kPa → 5 kPa → 0 kPa) by providing a separate tank containing air between two valves (particularly solenoid valves). Liquid transfer can also be stopped by adjusting the opening speed of the solenoid valve so that the degree of opening increases gradually.

また、送液の停止に関して、連続相液の流量比を大きくしたり、エマルジョン保持流路の流路体積を小さくしたりすることで、気体―エマルジョン界面と全液滴との最小距離が大きくなるように調整すると、エマルジョン中の液滴が排出口に流出しにくく、かつ気体―エマルジョン界面による近傍の液滴への悪影響(液滴同士の凝集・合一、液滴内反応やシグナル検出の阻害)を抑制できるため好ましい。 In addition, when stopping the liquid supply, it is preferable to increase the flow rate ratio of the continuous phase liquid or reduce the flow volume of the emulsion holding flow channel to increase the minimum distance between the gas-emulsion interface and all the droplets, since this makes it difficult for the droplets in the emulsion to flow out to the outlet and suppresses the adverse effects of the gas-emulsion interface on nearby droplets (aggregation and coalescence of droplets, inhibition of intra-droplet reactions and signal detection).

また、送液の停止及びその後のエマルジョンの保持に関して、流動性の高い連続相液を使用する場合、外部送液駆動力が印加されていなくても毛細管力及び/又は液面差圧によって気体―エマルジョン界面が下流に流動することがある。加えて、揮発性の高い連続相液を使用する場合、かつ/又は液滴内反応等のためにエマルジョンを加熱している場合には、連続相液が蒸発し流路内の連続相液が減少し、かつ/又は蒸発した分の連続相液を補充するように連続相液保持部に残存する連続相液が流路内に流入することによって、エマルジョン保持流路の液滴が送液停止後も流動することもある。このような送液停止後の液滴の流動は、エマルジョン保持流路内の液滴が排出口方向又はエマルジョン流路方向に流出する要因となるため、対策を行うのが望ましい。このために、各保持部及び排出口を密閉し圧力制御を行い、かつ/又は、流路基板としてガス透過性の低い材料を使用することによって、毛細管力及び/又は液面差圧、並びに連続相液の蒸発に起因する液滴の流動を抑制することができる。なお、分注手段を有する場合には、このような密閉操作は分注操作後又は送液停止後に行う必要があるため、装置の自動化の観点からは好ましくない。 In addition, with regard to the stopping of the liquid transfer and the subsequent retention of the emulsion, when a highly fluid continuous phase liquid is used, the gas-emulsion interface may flow downstream due to capillary force and/or liquid level differential pressure even if an external liquid transfer driving force is not applied. In addition, when a highly volatile continuous phase liquid is used and/or the emulsion is heated for a reaction within the droplets, the continuous phase liquid may evaporate and the amount of continuous phase liquid in the flow path may decrease, and/or the continuous phase liquid remaining in the continuous phase liquid holding section may flow into the flow path to replenish the evaporated amount of continuous phase liquid, causing the droplets in the emulsion holding flow path to flow even after the liquid transfer is stopped. Such a flow of droplets after the liquid transfer is stopped may cause the droplets in the emulsion holding flow path to flow out toward the outlet or emulsion flow path, so it is desirable to take measures against this. For this reason, the flow of droplets caused by the capillary force and/or liquid level differential pressure, as well as the evaporation of the continuous phase liquid, can be suppressed by sealing each holding section and the outlet and controlling the pressure, and/or using a material with low gas permeability as the flow path substrate. Furthermore, if a dispensing means is provided, such a sealing operation must be performed after the dispensing operation or after liquid transfer has stopped, which is undesirable from the perspective of automating the device.

(排出口)
マイクロ流路チップは、排出口を有する。この排出口は、エマルジョン保持流路に接続することができる。排出口は、マイクロ流路チップに陰圧を適用するための陰圧源接続部としても機能しうる。
(Exhaust outlet)
The microchannel chip has an outlet that can be connected to an emulsion-holding channel and can also function as a negative pressure source connection for applying negative pressure to the microchannel chip.

排出口が、陰圧源と接続することに適しているように構成されていることが好ましい。この場合、排出口が、印加される圧力に対する耐性を有することが好ましい。 The outlet is preferably adapted to be connected to a negative pressure source. In this case, it is preferable that the outlet is resistant to the applied pressure.

マイクロ流路チップがエマルジョン保持流路を有する場合、通常、排出口は、エマルジョン保持流路の下流側に位置する。この排出口に陰圧を適用することによって、エマルジョン保持流路の全長又は大部分を、生成されたエマルジョンで充填することができる。 When the microchannel chip has an emulsion-holding channel, the outlet is usually located downstream of the emulsion-holding channel. By applying negative pressure to this outlet, the entire length or most of the emulsion-holding channel can be filled with the generated emulsion.

(送液)
外部送液駆動力は、エマルジョン形成部において分散相液及び連続相液からエマルジョンを生成するための駆動力を提供する。また、外部送液駆動力は、生成されたエマルジョンをエマルジョン流路(そして随意にエマルジョン保持流路)に輸送するための駆動力を提供する。
(Liquid Delivery)
The external liquid delivery driving force provides a driving force for generating an emulsion from the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid in the emulsion forming section, and also provides a driving force for transporting the generated emulsion to the emulsion flow path (and optionally to the emulsion holding flow path).

本開示に係る方法では、このような外部送液駆動力として、排出口に適用される陰圧を用いる。なお、排出口へ陰圧を適用している間は、各保持部を常圧にしている方が、装置の簡便性の観点からは好ましいが、陰圧による送液を安定化させるため、及び/又は、エマルジョンの保持のための密閉操作を兼ねるため、非常圧状態に圧力制御してもよい。 In the method disclosed herein, negative pressure applied to the outlet is used as such an external liquid transfer driving force. From the viewpoint of device simplicity, it is preferable to keep each holding section at normal pressure while negative pressure is being applied to the outlet, but the pressure may be controlled to an emergency pressure state in order to stabilize the liquid transfer by negative pressure and/or to also serve as a sealing operation for holding the emulsion.

陰圧送液は、陽圧相液と比較して、必要な装置を簡略化することができるので好ましい。 Negative pressure liquid delivery is preferred because it requires simpler equipment than positive pressure liquid delivery.

また、陽圧送液、特に、各保持部へ気体を介して陽圧を印加する場合、各保持部に分散相液及び連続相液を添加してから送液手段と各保持部とを密封接続する必要があるが、接続時に不要な外部圧力がかかりやすい。特に、シリコンゴム等の柔軟性が高い基板を使用する場合、接続時にマイクロ流路チップが変形し、流路断面が変形するおそれがある。また、連続相液に粘性及び表面張力が低い液体を使用することで、エマルジョン形成部におけるせん断力を利用した安定かつ迅速な液滴生成が可能となるが、上記の物性を持つ液体は密閉状態が不完全な場合に液漏れしやすく適切な圧力印加が困難になりやすい。また、密閉接続後に連続相液及び/又は分散相液を導入することで、上述の接続時の不要な外部圧力による送液や液漏れの問題を抑制することが可能だが、これは前述の液導入と圧力送液を同時に行う手段の一例であり、分散相液と連続相液とを接触させる操作の再現性が低下しやすい。 In addition, in the case of positive pressure liquid transfer, particularly when applying positive pressure to each holding part via gas, it is necessary to add the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid to each holding part before sealing and connecting the liquid transfer means and each holding part, but unnecessary external pressure is likely to be applied during connection. In particular, when a highly flexible substrate such as silicone rubber is used, the microchannel chip may deform during connection, and the cross section of the channel may be deformed. In addition, by using a liquid with low viscosity and surface tension as the continuous phase liquid, stable and rapid droplet generation using shear force in the emulsion forming part is possible, but liquids with the above physical properties tend to leak when the sealed state is incomplete, making it difficult to apply appropriate pressure. In addition, by introducing the continuous phase liquid and/or the dispersed phase liquid after the sealed connection, it is possible to suppress the problems of liquid transfer and liquid leakage due to unnecessary external pressure during the above-mentioned connection, but this is an example of a means for simultaneously performing the above-mentioned liquid introduction and pressure liquid transfer, and the reproducibility of the operation of contacting the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid is likely to decrease.

これに対して、陰圧送液の場合、分散相液及び連続相液を添加する前に送液手段を接続できるため、接続時の圧力が分散相液及び連続相液に加わることがないという利点を有する。また、粘性及び表面張力が低い連続相液を保持する連続相液保持部を密閉する必要を回避できるという利点も有する。 In contrast, negative pressure liquid transfer has the advantage that the liquid transfer means can be connected before the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid are added, so the pressure at the time of connection is not applied to the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid. Another advantage is that it is possible to avoid the need to seal the continuous phase liquid holding section that holds the continuous phase liquid, which has low viscosity and surface tension.

また、流路圧損抵抗の小さいマイクロ流路チップを用いる場合、各保持部に陽圧を印加する方法では、送液手段と接続する際の不要な圧力によって意図せず分散相液又は連続相液が流路内に侵入してしまうおそれがある。 In addition, when using a microchannel chip with a small flow channel pressure drop resistance, applying positive pressure to each holding section may result in the dispersed phase liquid or continuous phase liquid unintentionally entering the flow channel due to unnecessary pressure when connecting to the liquid delivery means.

これに対して、排出口に陰圧を印加する方法は、分散相液及び連続相液を添加する前に排出口と送液手段とを接続できるため、不要な圧力がかからないという利点を有する。 In contrast, the method of applying negative pressure to the outlet has the advantage that unnecessary pressure is not applied because the outlet and the liquid delivery means can be connected before the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid are added.

陰圧を適用する場合、例えば、圧力タンク又はシリンジポンプを用いて、排出口を介して、マイクロ流路チップの流路内の流体(例えば気体又は連続相液)を吸引することができる。 When applying negative pressure, for example, a pressure tank or a syringe pump can be used to aspirate fluid (e.g., gas or continuous phase liquid) in the channel of the microchannel chip through an outlet.

また、陰圧源として圧力タンクを用いる場合、圧力タンクの体積は、排出口から圧力タンクまでの流路の体積及びマイクロ流路チップの流路の体積の合計よりも大きいことが好ましい。圧力タンクは、外部雰囲気(特には外部大気)に開放しうるような設計とすることもできる。また、圧力タンクは例えば、ポンプで圧力タンク内の圧力を制御すると好ましい。また、圧力タンク内の圧力値をモニタリングできるように圧力センサを設けても良い。 When a pressure tank is used as the negative pressure source, the volume of the pressure tank is preferably larger than the total volume of the flow path from the outlet to the pressure tank and the volume of the flow path of the microchannel chip. The pressure tank can also be designed so that it can be opened to the outside atmosphere (particularly the outside atmosphere). It is also preferable that the pressure inside the pressure tank is controlled by, for example, a pump. A pressure sensor may also be provided so that the pressure value inside the pressure tank can be monitored.

なお、適用された陰圧の圧力値をモニタリングするための監視手段を用いて、送液状態の確認、例えばエマルジョンが問題なく生成しているかどうかを確認することができる。 In addition, a monitoring means for monitoring the pressure value of the applied negative pressure can be used to check the liquid delivery status, for example, whether the emulsion is being generated without any problems.

エマルジョン形成部における液滴生成とエマルジョン保持流路へのエマルジョンの充填を同時に行う態様では、エマルジョン保持流路における気体(特には空気)とエマルジョン(又は連続相)との界面(エマルジョン界面)の移動を制御することが好ましい。特に、エマルジョンで充填された流路の体積又は長さの分だけ、送液中の圧損抵抗が増大する。この場合、適用される外部送液駆動力を一定にすると(一定の圧力差)、送液開始時及び送液停止時に、エマルジョン界面の移動速度又は流速が減少しやすい。したがって、送液中に連続的又は段階的に圧力差が大きくなるように、送液手段が設計されていることが好ましい。これは、例えば、シリンジポンプの移動速度で制御することができ、又は、シリンジ若しくはタンク内圧力をセンサでモニタリングして圧力制御することもできる。 In an embodiment in which droplet generation in the emulsion forming section and filling of the emulsion into the emulsion holding channel are performed simultaneously, it is preferable to control the movement of the interface (emulsion interface) between the gas (particularly air) and the emulsion (or continuous phase) in the emulsion holding channel. In particular, the pressure drop resistance during liquid transfer increases by the volume or length of the channel filled with emulsion. In this case, if the applied external liquid transfer driving force is kept constant (constant pressure difference), the movement speed or flow rate of the emulsion interface is likely to decrease when liquid transfer starts and stops. Therefore, it is preferable that the liquid transfer means is designed so that the pressure difference increases continuously or stepwise during liquid transfer. This can be controlled, for example, by the movement speed of the syringe pump, or pressure control can be performed by monitoring the pressure in the syringe or tank with a sensor.

(エマルジョン充填法における送液)
エマルジョン充填法では、一般に、エマルジョンが排出口に到達する前に(すなわち、気液界面が排出口に到達する前に)送液を停止した方が検出液滴のロスを低減し、検出液滴数を増加させられるため好ましい。また、排出口にエマルジョン中の連続相液のみが充填されるように、送液中の分散相液に対する連続相液の流量比を大きくしても良いが、排出口を連続相液で十分に満たすのは困難である。
(Liquid delivery in emulsion filling method)
In the emulsion filling method, it is generally preferable to stop the feeding before the emulsion reaches the outlet (i.e., before the gas-liquid interface reaches the outlet) because this reduces the loss of detected droplets and increases the number of detected droplets. In addition, the flow rate ratio of the continuous phase liquid to the dispersed phase liquid during feeding may be increased so that only the continuous phase liquid in the emulsion is filled at the outlet, but it is difficult to sufficiently fill the outlet with the continuous phase liquid.

このような理由から、エマルジョン充填法では、送液を停止する際に気液界面が流路内又は排出口の流路開口部近傍に存在する場合が多く、送液停止の際の急激な圧力変動(陰圧送液の際は排出口への空気の流入)によって気液界面が流路内を逆流し、エマルジョン保持に悪影響が生じやすい(エマルジョン保持流路外へ液滴が流出する、又は気液界面近傍で液滴同士が凝集・合一する)。 For this reason, in the emulsion filling method, when the liquid supply is stopped, the gas-liquid interface is often present within the flow path or near the flow path opening of the outlet, and the sudden pressure fluctuation when the liquid supply is stopped (air flowing into the outlet in the case of negative pressure liquid supply) can cause the gas-liquid interface to flow back through the flow path, which can have a negative effect on emulsion retention (droplets flow out of the emulsion-retaining flow path, or droplets aggregate and coalesce near the gas-liquid interface).

加えて、陰圧送液の場合には、送液停止によって排出口に空気が流入してくるため、気液界面により圧力がかかりやすく、基板の材料にシリコンゴム(PDMS)のような柔軟性の高い材料を使用したり、基板の厚みを極端に薄くしたり(COCだと1mm以下ぐらい)すると、陰圧送液時に流路が変形しやすく、送液停止時にその変形を復元する力によってより逆流が起きやすくなる。(すなわち、流路側面の壁面から遠い流路の中央部において流路の上面、底面が流路断面積を小さくする方向にたわむ(ルーフコラップス)。エマルジョン保持流路は前述のとおり流路高さに対して流路幅を大きくするのが好ましいため、特に影響が大きいと考えられる)。 In addition, in the case of negative pressure liquid delivery, air flows into the outlet when liquid delivery is stopped, so pressure is more likely to be applied to the gas-liquid interface, and if a highly flexible material such as silicone rubber (PDMS) is used for the substrate, or if the substrate is extremely thin (about 1 mm or less for COC), the flow path is more likely to deform when liquid delivery is performed under negative pressure, and the force that restores this deformation when liquid delivery is stopped makes it more likely that backflow will occur. (In other words, in the center of the flow path far from the side wall of the flow path, the top and bottom surfaces of the flow path bend in a direction that reduces the cross-sectional area of the flow path (roof collapse). As mentioned above, it is preferable for the width of the flow path to be large relative to the height of the flow path, so the impact is thought to be particularly large for emulsion-holding flow paths.)

このような送液停止時の逆流を抑制するため、送液圧力を小さくするのが好ましい。例えば、外部送液駆動力によってマイクロ流路チップに適用される圧力を、30kPa以下、10kPa以下、特に好ましくは5kPa以下とすることができる。なお、外部送液駆動力によってマイクロ流路チップに適用される圧力は、特には、排出口に適用される陰圧の圧力である。 To suppress such backflow when liquid delivery is stopped, it is preferable to reduce the liquid delivery pressure. For example, the pressure applied to the microchannel chip by the external liquid delivery driving force can be 30 kPa or less, 10 kPa or less, and particularly preferably 5 kPa or less. The pressure applied to the microchannel chip by the external liquid delivery driving force is, in particular, the negative pressure applied to the outlet.

一方で、例えば本発明を迅速なデジタル測定に用いる場合、送液速度と分散相液に対する連続相液の流速の比から計算される液滴生成速度は速い方が好ましい。例えば、エマルジョン形成部における液滴の生成速度が、5個/秒以上、20個/秒以上、50個/秒以上、100個/秒以上、特に好ましくは200個/秒以上であることが好ましい On the other hand, for example, when the present invention is used for rapid digital measurement, it is preferable that the droplet generation speed calculated from the liquid delivery speed and the ratio of the flow speed of the continuous phase liquid to the dispersed phase liquid is fast. For example, it is preferable that the droplet generation speed in the emulsion formation section is 5 droplets/second or more, 20 droplets/second or more, 50 droplets/second or more, 100 droplets/second or more, and particularly preferably 200 droplets/second or more.

送液圧力を小さくし、かつ液滴生成速度を大きくしたい場合には、流路圧損抵抗値(=送液圧力/送液速度)が小さくなるように調整するのが望ましい。流路圧損抵抗値は、流路構造、流路壁面の表面物性、各相液の物性、送液手段の圧力制御方法等に依存するため、送液中の送液速度及び/又は液滴生成速度と送液圧力が適切な値になるように、上述のパラメータを適宜調整すればよい。 When it is desired to reduce the liquid delivery pressure and increase the droplet generation speed, it is desirable to adjust the flow path pressure drop resistance value (= liquid delivery pressure/liquid delivery speed) to be small. Since the flow path pressure drop resistance value depends on the flow path structure, the surface physical properties of the flow path wall, the physical properties of each phase liquid, the pressure control method of the liquid delivery means, etc., the above parameters can be appropriately adjusted so that the liquid delivery speed and/or droplet generation speed during liquid delivery and the liquid delivery pressure are appropriate values.

(マイクロ流路チップの設置)
マイクロ流路チップは、鉛直方向(天地方向)に水平に設置するのが一般的であるが、エマルジョンの保持等の観点から、一定方向に意図的に傾斜を設けて設置しても良い。例えば、連続相液が分散相液よりも比重が大きい場合(例:フッ素系分散剤を連続相液、水溶液を分散相液として使用)、液滴は比重差によって浮力を有するため、エマルジョン保持流路から液滴が流出しにくいように、意図的に傾斜を設けてマイクロ流路チップを設置しても良い。
(Installation of microfluidic chip)
Although a microchannel chip is generally installed horizontally in the vertical direction (top-to-bottom direction), it may be installed with an intentional inclination in a certain direction from the viewpoint of emulsion retention, etc. For example, when the continuous phase liquid has a higher specific gravity than the dispersed phase liquid (e.g., when a fluorine-based dispersant is used as the continuous phase liquid and an aqueous solution is used as the dispersed phase liquid), the droplets have buoyancy due to the difference in specific gravity, so the microchannel chip may be installed with an intentional inclination so that the droplets are less likely to flow out of the emulsion-retaining channel.

<検出処理>
本開示に係る方法に従って生成されたエマルジョン中の液滴に対して、検出処理を行うことができる。検出処理は、例えば、液滴中での標的物質の反応、及び当該反応の検出(例えば反応生成物の検出)を含む。検出処理は、特には、エマルジョン保持流路に保持されたエマルジョン中の液滴に対して行われる。
<Detection process>
A detection process can be performed on droplets in an emulsion produced according to the method of the present disclosure. The detection process can include, for example, reacting a target substance in the droplet and detecting the reaction (e.g., detecting a reaction product). The detection process is particularly performed on droplets in an emulsion held in an emulsion holding channel.

標的物質(特には標的分子)としては、核酸、タンパク質、ペプチド、酵素、細胞、細菌、胞子、ウイルス、オルガネラ、高分子アセンブリ、薬物候補、脂質、炭水化物、代謝物、又はこれらの任意の組合せが挙げられる。 Target substances (particularly target molecules) include nucleic acids, proteins, peptides, enzymes, cells, bacteria, spores, viruses, organelles, macromolecular assemblies, drug candidates, lipids, carbohydrates, metabolites, or any combination thereof.

標的物質の反応は、特に限定されない。標的物質の反応としては、酵素反応が挙げられ、より具体的には、キナーゼ、ヌクレアーゼ、ヌクレオチドシクラーゼ、ヌクレオチドリガーゼ、ヌクレオチドホスホジエステラーゼ、(DNA又はRNA)ポリメラーゼ(DNA又はRNA)、プレニルトランスフェラーゼ、ピロホスパターゼ、レポーター酵素、逆転写酵素、トポイソメラーゼ等を用いた酵素反応が例示できる。標的分子がDNAやRNAなどの核酸であり、標的分子の反応が当該核酸の増幅反応である場合、LAMP法、NASBA法、TMA法、TRC法といった核酸を等温増幅可能な反応が挙げられる。また、ワンステップRT-PCRの場合、逆転写反応に適した温度で液滴を作製することは、逆転写反応の反応効率、反応時間において好ましい。また、逆転写反応による生成物であるcDNAをサイクリングプローブ法により検出することも可能である。 The reaction of the target substance is not particularly limited. Examples of the reaction of the target substance include enzyme reactions, more specifically, enzyme reactions using kinases, nucleases, nucleotide cyclases, nucleotide ligases, nucleotide phosphodiesterases, (DNA or RNA) polymerases (DNA or RNA), prenyltransferases, pyrophospatases, reporter enzymes, reverse transcriptases, topoisomerases, etc. When the target molecule is a nucleic acid such as DNA or RNA and the reaction of the target molecule is an amplification reaction of the nucleic acid, examples of the reaction include reactions capable of isothermal amplification of nucleic acids, such as the LAMP method, the NASBA method, the TMA method, and the TRC method. In addition, in the case of one-step RT-PCR, it is preferable to prepare droplets at a temperature suitable for the reverse transcription reaction in terms of the reaction efficiency and reaction time of the reverse transcription reaction. It is also possible to detect cDNA, which is the product of the reverse transcription reaction, by the cycling probe method.

反応を行う場合、2種以上の反応液をエマルジョン形成部の上流(例えば分散相液合流部)で混合し、この混合物を用いて液滴を生成することが好ましい。なお、本発明において、反応液とは、標的物質及び標的物質を反応させるのに必要な成分のうち、少なくとも一部を含んだ溶液のことをいう。全ての反応液が混合することで標的物質の反応に必要な成分全てが揃えばよく、標的物質はいずれかの反応液に含まれていればよい。反応液は3種以上であっても問題はない。 When carrying out a reaction, it is preferable to mix two or more types of reaction liquids upstream of the emulsion formation section (e.g., the dispersed phase liquid junction section) and use this mixture to generate droplets. In the present invention, a reaction liquid refers to a solution that contains at least a portion of the target substance and the components necessary for reacting the target substance. All the components necessary for the reaction of the target substance need to be present when all the reaction liquids are mixed, and the target substance needs to be contained in one of the reaction liquids. There is no problem if three or more types of reaction liquids are used.

例えば、標的物質が特定配列を含む核酸(DNA、RNA)であり、標的物質の反応がこの特定配列を増幅させる反応である場合、反応液に含まれる成分としては、特定配列の一部と相同的な配列を含むプライマー、特定配列の一部と相補的な配列を含むプライマー、特定配列の一部と相同的又は相補的な配列を含む検出用プローブ、ポリメラーゼ、ヌクレオチド、塩類、及び緩衝液成分があげられる。なお、反応液内で、標的分子、反応基質、酵素などが分解、変質、非特異反応が生じないように組成が工夫されていることが好ましく、装置内での挙動を考慮して、グリセロール、界面活性剤などをさらに添加してもよい。 For example, when the target substance is a nucleic acid (DNA, RNA) containing a specific sequence, and the reaction of the target substance is a reaction that amplifies this specific sequence, the components contained in the reaction solution include a primer containing a sequence homologous to a part of the specific sequence, a primer containing a sequence complementary to a part of the specific sequence, a detection probe containing a sequence homologous or complementary to a part of the specific sequence, polymerase, nucleotides, salts, and buffer components. It is preferable that the composition of the reaction solution is designed so that the target molecule, reaction substrate, enzyme, etc. are not decomposed, altered, or subjected to non-specific reactions, and glycerol, surfactants, etc. may be further added taking into account the behavior within the device.

<その他の手段> <Other methods>

(検出手段)
反応の検出のために、例えば、反応による生成物を検出可能な検出手段をさらに設けることができる。
(Detection Means)
For detection of the reaction, for example, a detection means capable of detecting the product of the reaction can be further provided.

検出方法は、反応生成物に応じて適宜適切な方法を選択することができ、例えば、光学的、X線、MALDI(マトリックス支援レーザー脱離イオン化法)、FCS(蛍光相関分光法)、FP(蛍光偏光)/FCS、蛍光法、比色分析、化学ルミネセンス、生物発光、散乱、表面プラズモン共鳴、電気化学法、電気泳動、レーザー、質量分光測定、ラマン分光法、FLIPR(MolecularDevices社)など公知の方法を用いて検出することができる。なお、透過光を用いて検出する場合は、光を透過する材料でマイクロ流路チップを作製すると、マイクロ流路チップを光学検出器に載置するのみで、チップ内の液滴を移動させることなく反応生成物を検出できる点で好ましい。 The detection method can be appropriately selected depending on the reaction product, and can be detected using known methods such as optical, X-ray, MALDI (matrix-assisted laser desorption/ionization), FCS (fluorescence correlation spectroscopy), FP (fluorescence polarization)/FCS, fluorescence, colorimetric analysis, chemiluminescence, bioluminescence, scattering, surface plasmon resonance, electrochemical methods, electrophoresis, laser, mass spectrometry, Raman spectroscopy, FLIPR (Molecular Devices), etc. When detecting using transmitted light, it is preferable to fabricate a microchannel chip from a material that transmits light, since the reaction product can be detected simply by placing the microchannel chip on an optical detector without moving the droplets in the chip.

反応生成物の検出に用いる検出手段(検出器)として、標的物質の反応を記録・測定するためのイメージングセンサ及び随意にその構成部品を用いることができる。検出の一例として、検出対象となる個々のシグナルを空間的に分解するのに適切な照明及び解像度を有するカメラ又はイメージング装置があげられる。カメラ又はイメージング装置としては、公知のものを利用することができ、例えばカメラは、電荷結合素子(CCD)、電荷注入装置(CID)、フォトダイオードアレイ(PDA)又は相補型金属酸化物半導体(CMOS)を含む任意の一般的な半導体イメージセンサを使用することができる。また、検出の際、励起/放射された光の偏光を使用することによって改善することができる。例えば、蛍光シグナルを発する液滴を検出する場合、その検出領域を大きな視野を持つ光学ユニットによって一括で撮影することで、迅速かつハイスループットなシグナル検出を行なうことが可能になる。 The detection means (detector) used to detect the reaction products can be an imaging sensor and optionally its components for recording and measuring the reaction of the target substance. One example of detection is a camera or imaging device with suitable illumination and resolution to spatially resolve the individual signals to be detected. The camera or imaging device can be any known one, for example, a charge-coupled device (CCD), a charge injection device (CID), a photodiode array (PDA), or any common semiconductor image sensor including a complementary metal oxide semiconductor (CMOS). Detection can also be improved by using polarization of the excited/emitted light. For example, when detecting droplets that emit fluorescent signals, the detection area can be photographed all at once by an optical unit with a large field of view, allowing for rapid and high-throughput signal detection.

(温調手段)
温調手段は、マイクロ流路チップ内の液体を標的物質の反応に適した温度に保つ役割を有する。温調手段はマイクロ流路チップと近接(好ましくは密着)可能な形状であればよく、必ずしも平板状である必要はない。
(Temperature Control Means)
The temperature control means has a role of maintaining the liquid in the microchannel chip at a temperature suitable for the reaction of the target substance. The temperature control means does not necessarily have to be flat as long as it can be in close proximity (preferably in close contact) with the microchannel chip.

温調手段のうち、少なくともマイクロ流路チップと近接(好ましくは密着)する部分は、熱伝導性の高い金属材料で作製することが好ましい。なお、基材と上部構造体とを貼り合わせてマイクロ流路チップが作製されている場合、温調手段と接する基材及び/又は上部構造体の厚さを薄くすると、マイクロ流路チップに設けた流路への熱伝導をより効率的に行なえる点で好ましい。温調手段は、少なくとも、標的物質の反応場であるエマルジョン保持流路を温調できればよいが、相液保持部及び流路も温調できると、標的分子の非特異的反応を抑制できる点で好ましい。具体例として、標的物質の反応が核酸増幅反応の場合、各保持部や流路における温度を、エマルジョン保持流路における標的物質の反応温度よりも高くなるよう、温調手段で温調することで、プライマー/プローブ同士の非特異的なアニールを低減することができる。また、マイクロ流路チップの底面を温調手段によって反応温度に加熱し、かつ光を透過する材料でマイクロ流路チップ上面基板を作製し上面から透過光検出を行う場合、各相液供給前の空のマイクロ流路チップの位置並びに/又は流路構造及び/若しくはチップ内外のゴミの評価、各相液を供給する際の流路内の挙動並びに/又は送液中のエマルジョン生成の挙動の評価、並びに、反応中のエマルジョンのシグナル検出結果を利用したデジタル検出の定量上限の向上を、装置上簡便に行えるため、好ましい。 At least the part of the temperature control means that is in close proximity (preferably in close contact) with the microchannel chip is preferably made of a metal material with high thermal conductivity. In addition, when the microchannel chip is manufactured by bonding the substrate and the superstructure, it is preferable to make the thickness of the substrate and/or the superstructure in contact with the temperature control means thinner in order to more efficiently conduct heat to the channels provided in the microchannel chip. The temperature control means is required to at least control the temperature of the emulsion-holding channel, which is the reaction field of the target substance, but it is preferable to control the temperature of the phase liquid holding section and the channel as well in order to suppress nonspecific reactions of the target molecules. As a specific example, when the reaction of the target substance is a nucleic acid amplification reaction, the temperature control means controls the temperature in each holding section and channel so that it is higher than the reaction temperature of the target substance in the emulsion-holding channel, thereby reducing nonspecific annealing between primers/probes. In addition, when the bottom surface of the microchannel chip is heated to the reaction temperature by a temperature control means, and the top surface substrate of the microchannel chip is made of a light-transmitting material and transmitted light is detected from the top surface, it is preferable because the following can be easily performed on the device: evaluation of the position of the empty microchannel chip before supplying each phase liquid, evaluation of the flow channel structure and/or dirt inside and outside the chip; evaluation of the behavior inside the flow channel when supplying each phase liquid and/or the behavior of emulsion generation during liquid transfer; and improvement of the upper limit of quantification of digital detection using the signal detection results of the emulsion during the reaction.

以下で、例示を用いて、本発明をさらに詳細に説明する。本発明は、これらの記載に限定されない。 The present invention will be described in more detail below using examples. The present invention is not limited to these descriptions.

≪マイクロ流路チップの作製≫
フォトリソグラフィー及びソフトリソグラフィー技術を用いたマイクロ流路チップ(No.1及びNo.2)の製造方法について、下記に示す。
<Fabrication of microfluidic chip>
The manufacturing method of the microchannel chips (No. 1 and No. 2) using photolithography and soft lithography techniques will be described below.

(マイクロ流路チップ)
(1)4インチベアシリコンウェハ(フィルテック社)上へ、フォトレジストSU-8 3050(Microchem社)を滴下後、スピンコーター(MIKASA社)を用いてフォトレジスト薄膜を形成した。
(Microfluidic Chip)
(1) Photoresist SU-8 3050 (Microchem) was dropped onto a 4-inch bare silicon wafer (Filtech), and then a thin photoresist film was formed using a spin coater (Mikasa).

(2)マスクアライナー(ウシオ電機社)と、マイクロ流路チップの流路パターンを形成したクロムマスクとを用いて、流路パターンをフォトレジスト膜へ形成させた後、SU-8 Developer(Microchem社)を用いて流路パターンを現像することで、マイクロ流路チップを構成する流路の鋳型を作製した。 (2) Using a mask aligner (Ushio Inc.) and a chrome mask on which the channel pattern of the microchannel chip was formed, the channel pattern was formed on a photoresist film, and then the channel pattern was developed using an SU-8 Developer (Microchem Inc.) to create a template for the channels that make up the microchannel chip.

(3)SU-8への吸着を抑えるために、Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluoro-octyl)silane(Thermo Fisher Scientific社)による蒸着表面処理を行なった。 (3) To suppress adsorption onto SU-8, a vapor deposition surface treatment was performed using trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluoro-octyl)silane (Thermo Fisher Scientific).

(4)上記(3)の処理を行なった鋳型へ、SYLGARD SILICONE ELASTOMER KIT(東レ・ダウコーニング社)を用いて調製した未硬化のシロキサンモノマーと重合開始剤との混合物(重量比10:1)を流し込み、80℃で2時間加熱することで、流路の形状が転写されたポリマー(PDMS)基板を作製した。 (4) A mixture of uncured siloxane monomer and polymerization initiator (weight ratio 10:1) prepared using a SYLGARD SILICONE ELASTOMER KIT (Dow Corning Toray Co., Ltd.) was poured into the mold treated in (3) above, and heated at 80°C for 2 hours to produce a polymer (PDMS) substrate with the shape of the flow path transferred thereto.

(5)得られたポリマー基板を鋳型から慎重に剥がし、カッターで成形後、パンチャーを用いて分散相液保持部及び連続相液保持部、並びに排出口を形成した。 (5) The obtained polymer substrate was carefully peeled off from the mold, shaped with a cutter, and then a puncher was used to form the dispersed phase liquid holding portion, the continuous phase liquid holding portion, and the discharge port.

(6)保持部及び排出口を形成したポリマー基板並びにカバーガラス(松浪硝子社)を酸素プラズマ発生装置(メイワフォーシス社)で表面処理後、PDMS基板のパターン面とカバーガラスとを貼り合わせた。作製したチップはデシケーター内に保存した。 (6) The polymer substrate with the holding section and discharge port and the cover glass (Matsunami Glass Co., Ltd.) were surface treated with an oxygen plasma generator (Meiwa Force Systems Co., Ltd.), and then the patterned surface of the PDMS substrate was bonded to the cover glass. The fabricated chip was stored in a desiccator.

作製したマイクロ流路チップは、縦34cm×横75cmの大きさであり、分散相液保持部としてはφ4mmの穴を、連続相液保持部としてはφ8mmの穴を、排出口としてはφ1.5mmの穴を、それぞれ有していた。 The fabricated microchannel chip was 34 cm long and 75 cm wide, and had a φ4 mm hole for the dispersed phase liquid holding portion, a φ8 mm hole for the continuous phase liquid holding portion, and a φ1.5 mm hole for the outlet.

(流路構造)
マイクロ流路チップ(No.1及びNo.2)は、2つの分散相液保持部、(第一分散相液流路、第二分散相液流路、及び分散相液合流部を有する)分散相液流路、連続相液保持部、2つの連続相液流路、エマルジョン形成部、エマルジョン流路、エマルジョン保持流路、及び排出口を有していた。2つの分散相液保持部が、第一又は第二分散相液流路を介して、エマルジョン形成部に接続しており、連続相液保持部が、2つの連続相液流路を介して、エマルジョン形成部に接続しており、エマルジョン形成部が、エマルジョン流路を介して、エマルジョン保持流路に接続しており、エマルジョン保持流路が、排出口に接続していた。マイクロ流路チップは、気泡トラップを有していなかった。
(Flow Channel Structure)
The microchannel chips (No. 1 and No. 2) had two dispersed phase liquid holders, a dispersed phase liquid flow path (having a first dispersed phase liquid flow path, a second dispersed phase liquid flow path, and a dispersed phase liquid junction), a continuous phase liquid holder, two continuous phase liquid flows, an emulsion forming section, an emulsion flow path, an emulsion holding flow path, and an outlet. The two dispersed phase liquid holders were connected to the emulsion forming section via the first or second dispersed phase liquid flow path, the continuous phase liquid holder was connected to the emulsion forming section via the two continuous phase liquid flows, the emulsion forming section was connected to the emulsion holding flow path via the emulsion flow path, and the emulsion holding flow path was connected to the outlet. The microchannel chips did not have a bubble trap.

マイクロ流路チップ(No.1)に関して、第一分散相液流路及び第二分散相液流路は、高さ100μm、幅100μm、長さ4200μmの流路であり、分散相液合流部で合流し、100μmの流路幅に狭窄され、エマルジョン形成部に合流する。2つの連続相液流路は、それぞれ屈曲部を二箇所有した幅380μmの流路であり、エマルジョン形成部への流入部では高さ100μm、幅160μmに狭窄されており、全長は30mmである。 Regarding the microchannel chip (No. 1), the first dispersed phase liquid flow channel and the second dispersed phase liquid flow channel are flow channels with a height of 100 μm, a width of 100 μm, and a length of 4200 μm, and are joined at the dispersed phase liquid joining section, narrowed to a flow channel width of 100 μm, and joined at the emulsion forming section. The two continuous phase liquid flow channels are each 380 μm wide with two bends, and are narrowed to a height of 100 μm and a width of 160 μm at the inlet to the emulsion forming section, with a total length of 30 mm.

エマルジョン形成部において、分散相液合流部と2つの連続相液流路とが角度90度で十字に交差している。エマルジョン形成部において、反応液と非混和性液体(オイル)とが合流し、液滴を形成するようになっている。 In the emulsion formation section, the dispersed phase liquid junction and the two continuous phase liquid flow paths cross at an angle of 90 degrees. In the emulsion formation section, the reaction liquid and the immiscible liquid (oil) join together to form droplets.

エマルジョン流路は、エマルジョン形成部に近接する部分で幅80μm×長さ100μm、その下流部分で幅200μm×長さ700μmの直線流路であり、さらにその下流部分ではR300μmの円弧曲線で構成された蛇行を含めた幅400μm×長さ11.5mmの撹拌用流路であり、エマルジョン保持流路に連結する。なお、エマルジョン保持流路より上流の流路高さは100μmである。 The emulsion flow path is a straight flow path with a width of 80 μm and a length of 100 μm near the emulsion formation section, a width of 200 μm and a length of 700 μm downstream, and a stirring flow path with a width of 400 μm and a length of 11.5 mm including a meandering path composed of an arc curve with a radius of 300 μm downstream, which is connected to the emulsion holding flow path. The flow path height upstream of the emulsion holding flow path is 100 μm.

エマルジョン保持流路は、流路高さ160μm、幅2mm、長さ350mmの蛇行流路であり、幅2mm、長さ10mmの排出口連通流路を介して、排出口に直接つながっている。エマルジョン保持流路の体積は、91μLであった。 The emulsion-holding flow channel is a serpentine flow channel with a flow channel height of 160 μm, a width of 2 mm, and a length of 350 mm, and is directly connected to the outlet via an outlet-connected flow channel with a width of 2 mm and a length of 10 mm. The volume of the emulsion-holding flow channel was 91 μL.

(マイクロ流路チップ:No.2)
マイクロ流路チップNo.2は、下記の構造を有していた。
(Microchannel chip: No. 2)
Microchannel chip No. 2 had the following structure.

第一分散相液流路及び第二分散相液流路は、幅100μm、高さ50μm、長さ2600μmの流路であり、分散相液合流部で合流し、100μmの流路幅に狭窄され、エマルジョン形成部に合流する。2つの連続相液流路は、それぞれ屈曲部を二箇所有した幅300μm、高さ120μm、長さ26mmの流路である。 The first dispersed phase liquid flow path and the second dispersed phase liquid flow path are flow paths with a width of 100 μm, a height of 50 μm, and a length of 2600 μm. They join at a dispersed phase liquid junction, narrow to a flow path width of 100 μm, and join at an emulsion forming section. The two continuous phase liquid flow paths are flow paths with a width of 300 μm, a height of 120 μm, and a length of 26 mm, each having two bends.

エマルジョン形成部は、流路高さ120μmで分散相液流路の分散相液合流部と2つの連続相液流路とが角度90度で十字に交差することで合流した反応液と非混和性液体(オイル)とを接触させ、エマルジョン形成部又はエマルジョン流路内で合流した反応液の液滴を形成する。 The emulsion forming section has a flow path height of 120 μm, and the dispersed phase liquid junction of the dispersed phase liquid flow path and the two continuous phase liquid flow paths cross at an angle of 90 degrees, bringing the joined reaction liquid into contact with the immiscible liquid (oil), forming droplets of the joined reaction liquid in the emulsion forming section or emulsion flow path.

エマルジョン流路は、エマルジョン形成部に直接交わる流路で幅80μm×長さ100μm、その下流部分で幅200μm×長さ700μmの直線流路であり、さらにその下流部分ではR300μmの円弧曲線で構成された蛇行を含めた幅400μm×長さ11.5mmの撹拌用流路であり、エマルジョン保持流路に連結する。エマルジョン保持流路は、流路高さ160μm、幅2mm、長さ350mmの蛇行流路であり、幅2mm、長さ10mmの排出口連通流路を介して、排出口に直接つながっている。エマルジョン保持流路の体積は、91μLであった。 The emulsion flow path is a flow path that directly intersects with the emulsion forming section, and is a straight flow path with a width of 80 μm and a length of 100 μm, and downstream of that, it is a straight flow path with a width of 200 μm and a length of 700 μm, and further downstream, it is a stirring flow path with a width of 400 μm and a length of 11.5 mm, including a meandering formed by an arc curve with a radius of 300 μm, and is connected to the emulsion holding flow path. The emulsion holding flow path is a meandering flow path with a flow path height of 160 μm, a width of 2 mm, and a length of 350 mm, and is directly connected to the outlet via an outlet connecting flow path with a width of 2 mm and a length of 10 mm. The volume of the emulsion holding flow path was 91 μL.

≪参考例1≫
(エマルジョンの生成及び保持)
上記のマイクロ流路チップ(No.1)を用いて、本発明に従って、エマルジョンの生成及び保持を行った。詳細を下記の(1)~(6)に示す。
<Reference Example 1>
(Emulsion Creation and Maintenance)
Using the above-mentioned microchannel chip (No. 1), emulsions were generated and maintained according to the present invention, as detailed in the following (1) to (6).

(分散相液)
(1)分散相液保持部に導入する分散相液として、下記の2種類の組成の水溶液(「開始液」及び「反応液」)を調製した。なお、下記組成の水溶液は、核酸増幅反応の1つであるTRC反応を使用する際の反応開始液の組成を模している。
(Dispersed Phase Liquid)
(1) As the dispersed phase liquid to be introduced into the dispersed phase liquid holding section, two types of aqueous solutions having the following compositions ("initiation liquid" and "reaction liquid") were prepared. The aqueous solutions having the following compositions mimic the composition of the reaction initiation liquid when using the TRC reaction, which is one of the nucleic acid amplification reactions.

(開始液)
36.8mM 塩化マグネシウム
180.0mM 塩化カリウム
0.2%(w/v) Tween 20
18.0%(v/v) DMSO
5.0%(v/v) グリセロール
(Starting solution)
36.8 mM Magnesium chloride 180.0 mM Potassium chloride 0.2% (w/v) Tween 20
18.0% (v/v) DMSO
5.0% (v/v) glycerol

(反応液)
0.2%(w/v) Tween 20
300nM トレハロース
5.0%(v/v) グリセロール
(Reaction solution)
0.2% (w/v) Tween 20
300 nM Trehalose 5.0% (v/v) Glycerol

(2)TRC反応温度である46℃で加熱したガラスヒーター(ブラスト社)を倒立型顕微鏡IX71(オリンパス社)に設置して、その上にマイクロ流路チップを設置してテープで固定した。 (2) A glass heater (Blast) heated to 46°C, the TRC reaction temperature, was placed on an inverted microscope IX71 (Olympus), and the microfluidic chip was placed on top of it and fixed with tape.

(3)送液手段として、ペリスタポンプ(高砂工業)、電磁弁(高砂工業)、圧力センサ(キーエンス社)で構成された、200mL容量のタンク内の圧力を-1~-10kPaに制御できる装置を使用した。このタンクとマイクロ流路チップの排出口とをPTFEチューブ(ニチアス社)で接続し、タンク内の圧力を開放することによって、チップに圧力差(陰圧)を適用した。 (3) As a liquid delivery means, a device was used that was capable of controlling the pressure in a 200 mL tank to -1 to -10 kPa, and was composed of a peristaltic pump (Takasago Kogyo), a solenoid valve (Takasago Kogyo), and a pressure sensor (Keyence Corporation). This tank was connected to the outlet of the microchannel chip with a PTFE tube (Nichias Corporation), and a pressure difference (negative pressure) was applied to the chip by releasing the pressure in the tank.

(4)分散相液保持部に、反応液及び開始液を、ピペットマンを使用して、それぞれ20μLずつ滴下した。その40秒後、連続相液保持部に、オイルを200μL滴下した。なお、上記のピペットマンは最大許容誤差が±0.06μLに校正されたものを使用した。 (4) Using a pipette, 20 μL of each of the reaction liquid and the starting liquid were dropped into the dispersed phase liquid holding section. After 40 seconds, 200 μL of oil was dropped into the continuous phase liquid holding section. The pipette used above was calibrated to a maximum allowable error of ±0.06 μL.

(5)分散相液と連続相液との接触から300秒後に、あらかじめ排出口に接続された上記タンク内の圧力を-5kPaに調整した状態で、陰圧を適用して、液滴生成及び保持を開始した。なお、送液中の各相液保持部は、大気圧開放された状態とした。 (5) 300 seconds after the contact between the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid, the pressure in the tank connected to the outlet was adjusted to -5 kPa in advance, and negative pressure was applied to start droplet generation and retention. Note that each phase liquid retention section was open to atmospheric pressure during liquid transfer.

(6)オイルと空気との界面(エマルジョンと空気との界面)がエマルジョン保持流路の下流末端部に到達した後(陰圧の適用から約150秒後)に、排出口に印加されていた負圧を常圧開放し、送液を停止した。 (6) After the oil-air interface (emulsion-air interface) reached the downstream end of the emulsion-holding flow path (approximately 150 seconds after the application of negative pressure), the negative pressure applied to the outlet was released to normal pressure, and the liquid flow was stopped.

(不均一液滴)
デジタルCMOSカメラ(ORCA-FLASH(商品名)、浜松フォトニクス社)を用いて、エマルジョン形成部を明視野画像として取得し、分散相液と連続相液との接触からの経過時間の関数として、陰圧の適用前に生成された液滴の数及びその平均体積(nL)を測定した。
(Non-uniform droplets)
A digital CMOS camera (ORCA-FLASH (trade name), Hamamatsu Photonics) was used to capture bright-field images of the emulsion formation area, and the number of droplets generated before application of negative pressure and their average volume (nL) were measured as a function of the elapsed time from contact between the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid.

同様にして、陰圧の適用後に生成された液滴の平均体積(nL)を測定した。結果を表1に示す。 Similarly, the average volume (nL) of droplets generated after application of negative pressure was measured. The results are shown in Table 1.

表1で見られるとおり、分散相液と連続相液とが接触してから陰圧の適用までの時間(送液準備時間)が長い程、不均一な液滴(陰圧適用後の液滴よりもサイズが小さい液滴)が多く形成されることがわかる。 As can be seen from Table 1, the longer the time from when the dispersed phase liquid comes into contact with the continuous phase liquid until the application of negative pressure (the liquid transfer preparation time), the more non-uniform droplets (droplets smaller in size than the droplets after the application of negative pressure) are formed.

Figure 0007585960000003
Figure 0007585960000003

≪参考例2≫
上記のマイクロ流路チップ(No.2)を用いたこと以外は、参考例1と同様にして、エマルジョンの生成及び保持、並びに評価を行った。結果を表2に示す。
<Reference Example 2>
Except for using the above microchannel chip (No. 2), the production, retention, and evaluation of emulsions were performed in the same manner as in Reference Example 1. The results are shown in Table 2.

Figure 0007585960000004
Figure 0007585960000004

表2で見られるとおり、分散相液と連続相液とが接触してから陰圧の適用までの時間(送液準備時間)が長い程、不均一な液滴(陰圧の適用後の液滴よりもサイズが大きい液滴)が多く形成されることがわかる。 As can be seen from Table 2, the longer the time between contact between the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid and the application of negative pressure (the liquid transfer preparation time), the more non-uniform droplets (droplets larger in size than the droplets after the application of negative pressure) are formed.

10、20 マイクロ流路チップ
101 連続相液保持部
102 第一分散相液保持部
103 第二分散相液保持部
111 連続相液流路
112 第一連続相液流路
113 第二連続相液流路
114 第一分散相液流路
115 第二分散相液流路
116 分散相液合流部
117 分散相液流路
120 エマルジョン形成部
130 エマルジョン流路
140 エマルジョン保持流路
150 排出口
300 分散相液保持部
31 ウェル
33 穴部
35 拡張部位
W 幅方向
L 長さ方向
H 高さ方向
10, 20 Microchannel chip 101 Continuous phase liquid holding section 102 First dispersed phase liquid holding section 103 Second dispersed phase liquid holding section 111 Continuous phase liquid flow path 112 First continuous phase liquid flow path 113 Second continuous phase liquid flow path 114 First dispersed phase liquid flow path 115 Second dispersed phase liquid flow path 116 Dispersed phase liquid junction section 117 Dispersed phase liquid flow path 120 Emulsion forming section 130 Emulsion flow path 140 Emulsion holding flow path 150 Outlet 300 Dispersed phase liquid holding section 31 Well 33 Hole 35 Expansion section W Width direction L Length direction H Height direction

Claims (13)

マイクロ流路チップに分散相液及び連続相液を供給してエマルジョンの生成を行う方法であって、
前記マイクロ流路チップが、分散相液保持部、分散相液流路、連続相液保持部、連続相液流路、エマルジョン形成部、エマルジョン流路、及び排出口を有しており、
前記分散相液保持部が、前記分散相液流路を介して、前記エマルジョン形成部に接続しており、
前記連続相液保持部が、前記連続相液流路を介して、前記エマルジョン形成部に接続しており、
前記エマルジョン形成部が、前記エマルジョン流路を介して、前記排出口に接続しており、
前記分散相液保持部に、分散相液を供給すること、
前記連続相液保持部に、連続相液を供給すること、及び、
前記排出口への陰圧の適用によって、前記エマルジョン形成部において、前記分散相液から構成される液滴及び前記連続相液から構成される連続相を含むエマルジョンを生成し、このようにして生成された前記エマルジョンを、前記エマルジョン流路に進入させること、
を含み、
前記陰圧の前記適用の前に、前記分散相液と、前記連続相液とを、前記エマルジョン形成部又はその上流で、気泡トラップを介さずに接触させること、及び、
前記接触の後30秒以内に、前記陰圧の適用を行うこと、
を特徴とする、方法。
A method for producing an emulsion by supplying a dispersed phase liquid and a continuous phase liquid to a microchannel chip, comprising the steps of:
the microchannel chip has a dispersed phase liquid holding section, a dispersed phase liquid flow path, a continuous phase liquid holding section, a continuous phase liquid flow path, an emulsion forming section, an emulsion flow path, and an outlet;
the dispersed phase liquid holding unit is connected to the emulsion forming unit via the dispersed phase liquid flow path,
the continuous phase liquid holding unit is connected to the emulsion forming unit via the continuous phase liquid flow path,
the emulsion forming section is connected to the outlet through the emulsion flow path,
Supplying a dispersed phase liquid to the dispersed phase liquid holding unit;
Supplying a continuous phase liquid to the continuous phase liquid holding section; and
generating an emulsion including droplets composed of the dispersed phase liquid and a continuous phase composed of the continuous phase liquid in the emulsion forming section by applying a negative pressure to the outlet, and allowing the emulsion thus generated to enter the emulsion flow path;
Including,
contacting the dispersed phase liquid with the continuous phase liquid at or upstream of the emulsion formation section without using a bubble trap prior to the application of the negative pressure; and
administering said application of negative pressure within 30 seconds after said contact;
A method comprising:
前記排出口に、陰圧制御手段が流体接続されており、
前記陰圧制御手段が、陰圧源、接続部及び弁から構成されており、
前記陰圧源が、一定の陰圧に制御されており、
前記接続部が、前記排出口に前記陰圧制御手段を流体接続するためのものであり、かつ
前記弁が、前記陰圧源と前記接続部との間に配置されている、
請求項1に記載の方法。
A negative pressure control means is fluidly connected to the outlet;
The negative pressure control means comprises a negative pressure source, a connection and a valve;
The negative pressure source is controlled to a constant negative pressure,
the connection is for fluidly connecting the negative pressure control means to the outlet, and the valve is disposed between the negative pressure source and the connection.
The method of claim 1.
前記分散相液及び前記連続相液の前記接触の前に、前記排出口に前記陰圧制御手段が流体接続されていることを特徴とする、請求項2に記載の方法。 The method of claim 2, characterized in that the negative pressure control means is fluidly connected to the outlet prior to the contacting of the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid. 前記排出口を外部大気に接続することによって、前記陰圧の適用を停止することを特徴とする、請求項1~3のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the application of the negative pressure is stopped by connecting the exhaust port to the outside atmosphere. 外部送液駆動力なしでも前記分散相液と前記連続相液とが接触することができる程度に、前記エマルジョン形成部及びその上流の流路抵抗が十分に小さい、請求項1~4のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the resistance of the emulsion forming section and the flow path upstream thereof is sufficiently small so that the dispersed phase liquid and the continuous phase liquid can come into contact with each other without an external liquid delivery driving force. 前記接触の前に、
前記分散相液を、気体で充填された状態の前記分散相液流路を通して前記エマルジョン形成部にまで移動させ、かつ、
前記連続相液を、気体で充填された状態の前記連続相液流路を通して前記エマルジョン形成部にまで移動させること
を特徴とする、請求項1~5のいずれか一項に記載の方法。
Prior to said contacting,
The dispersed phase liquid is moved to the emulsion forming section through the dispersed phase liquid flow path filled with gas, and
The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the continuous phase liquid is moved to the emulsion forming section through the continuous phase liquid flow path in a state filled with gas.
前記分散相液及び/又は前記連続相液を、毛細管力及び/又は液面差圧によって移動させる、請求項6に記載の方法。 The method according to claim 6, wherein the dispersed phase liquid and/or the continuous phase liquid are moved by capillary force and/or liquid level differential pressure. 前記排出口に陰圧を印加し、それにより、前記接触の前に、前記分散相液を、気体で充填された状態の前記分散相液流路を通して前記エマルジョン形成部にまで移動させることを特徴とする、請求項6又は7に記載の方法。 The method according to claim 6 or 7, characterized in that a negative pressure is applied to the outlet, thereby moving the dispersed phase liquid through the dispersed phase liquid flow path filled with gas to the emulsion forming section before the contact. 前記接触の前に、前記連続相液を、気体で充填された状態の前記連続相液流路、前記エマルジョン形成部、及び前記分散相液流路を通して、前記分散相液保持部にまで移動させることを特徴とする、請求項1~5のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that, prior to the contact, the continuous phase liquid is moved to the dispersed phase liquid holding section through the continuous phase liquid flow path, the emulsion forming section, and the dispersed phase liquid flow path, all of which are filled with gas. 前記連続相液を、毛細管力及び/又は液面差圧によって移動させる、請求項9に記載の方法。 The method of claim 9, wherein the continuous phase liquid is moved by capillary force and/or liquid level differential pressure. 前記マイクロ流路チップが、エマルジョン保持流路をさらに有しており、
前記エマルジョン形成部が、前記エマルジョン流路を介して、前記エマルジョン保持流路に接続しており、かつ、前記エマルジョン保持流路が、前記排出口に接続しており、
前記排出口に陰圧を適用することによって、前記エマルジョン形成部において、前記分散相液から構成される液滴及び前記連続相液から構成される連続相を含むエマルジョンを生成し、このようにして生成された前記エマルジョンを、前記エマルジョン流路を介して、気体で充填された状態の前記エマルジョン保持流路に輸送すること、
を含む、請求項1~10のいずれか一項に記載の方法。
the microchannel chip further has an emulsion-holding channel,
the emulsion forming section is connected to the emulsion holding flow path via the emulsion flow path, and the emulsion holding flow path is connected to the discharge port,
applying a negative pressure to the outlet, in the emulsion forming section, to generate an emulsion containing droplets composed of the dispersed phase liquid and a continuous phase composed of the continuous phase liquid, and transporting the emulsion thus generated through the emulsion flow path to the emulsion holding flow path filled with gas;
The method according to any one of claims 1 to 10, comprising:
前記排出口に適用される前記陰圧の大きさが、30kPa以下であることを特徴とする、請求項11に記載の方法。 The method of claim 11, characterized in that the magnitude of the negative pressure applied to the outlet is 30 kPa or less. 前記エマルジョン形成部における前記エマルジョンの生成速度が、5液滴/秒以上であることを特徴とする、請求項11又は12に記載の方法。 The method according to claim 11 or 12, characterized in that the emulsion production speed in the emulsion forming section is 5 droplets/second or more.
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