(57)【要約】流体チップ内の流路もしくはチャンバーの任意の場所に予め設計することなく弁を形成可能とすることを課題とする。流体チップは、液体２４を支持する液体支持体２５、液体支持体２５に囲まれてなり液体２４が移動する流路２２、及び流路２２に配置された複数の磁性粒子２１を備える。永久磁石２３で磁性粒子２１を凝集させて流路２２を閉塞し、液体２４の流れを遮断する。磁性粒子２１を流路の壁面の一部に分散させて流路２１を開放し、液体２４を流す。
2006085443.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を支持する液体支持体と、
前記液体支持体に囲まれてなり前記液体が移動する流路と、
前記流路内に配置された複数の磁性粒子と
を備え、
前記磁性粒子に第１の磁力を作用させて前記磁性粒子を凝集させることで前記流路を閉塞し、前記液体の流れを遮断する閉状態と、
前記第１の磁力より弱い第２の磁力を作用させて前記磁性粒子を前記流路の壁面の一部に分散させることで前記流路を開放し、前記液体を流す開状態と
の間で可逆的に切り換え可能である流体チップ。
【請求項２】
前記磁性粒子の径が、１μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の流体チップ。
【請求項３】
前記液体は親水性の液体であり、かつ前記磁性粒子の表面が撥水性を有することを特徴とする、請求項１に記載の流体チップ。
【請求項４】
前記磁性粒子の表面の撥水性が、撥水ポリマーによる処理で付与されていることを特徴とする、請求項１に記載の流体チップ。
【請求項５】
前記磁性粒子の表面の撥水性が、疎水性官能基を表面に修飾する処理で付与されていることを特徴とする、請求項４に記載の流体チップ。
【請求項６】
前記液体は疎水性の液体であり、かつ前記磁性粒子の表面が親水性を有することを特徴とする、請求項１に記載の流体チップ。
【請求項７】
前記磁性粒子の表面の親水性が、親水ポリマーによる処理で付与されていることを特徴とする、請求項６に記載の流体チップ。
【請求項８】
前記流路の断面積が１μｍ２以上１×１０６μｍ２以下である、請求項１に記載の流体チップ。
【請求項９】
流体チップ内の液体の移動を制御する方法であって、
前記流体チップは、前記液体を支持する液体支持体と、前記液体支持体に囲まれてなり前記液体が移動する流路と、前記流路内に配置された複数の磁性粒子とを備え、
前記方法は、
磁石から前記複数の磁性粒子に第１の磁力を作用させ、それによって前記複数の磁性粒子を凝集させて前記流路を閉塞し、前記液体の流れを遮断する工程、および
前記磁石から前記複数の磁性粒子に前記第１の磁力よりも弱い第２の磁力を作用させ、それによって前記流路の壁面の一部に前記複数の磁性粒子を分散させて前記流路を開放し、前記液体の流れを許可する工程、を有し、
前記第１の磁力を作用させることによる前記複数の磁性粒子の凝集と、前記第２の磁力を作用させることによる前記複数の磁性粒子の分散とを可逆的に切り換え可能である方法。
【請求項１０】
前記複数の磁性粒子に前記第１の磁力が作用する状態を維持しつつ前記磁石を移動させ、前記複数の磁性粒子を前記凝集した状態を維持しつつ前記流路の一つの位置から他の位置へ移動させ、それによって前記流路内の液体を移動させることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記複数の磁性粒子に前記第２の磁力を作用する状態を維持しつつ前記磁石を移動させ、前記複数の磁性粒子を前記流路の壁面に分散した状態を維持しつつ前記流路内の一つの位置から他の位置へ移動させることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記磁性粒子の径が、１μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記磁石は永久磁石であることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記磁石は電磁石であることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記液体として親水性の液体を用い、かつ前記磁性粒子の表面が撥水性を有することを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
前記磁性粒子の表面の撥水性が、撥水ポリマーによる処理で付与されていることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記磁性粒子の表面の撥水性が、疎水性官能基を表面に修飾する処理で付与されていることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記液体として疎水性の液体を用い、かつ前記磁性粒子の表面が親水性を有することを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１９】
前記磁性粒子の表面の親水性が、親水ポリマーによる処理で付与されていることを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記流路の断面積が１μｍ２以上１×１０６μｍ２以下である、請求項９に記載の方法。
【請求項２１】
流路と、チャンバーと、前記流路内に配置された複数の磁性粒子とを有し、外部から前記流路および前記チャンバーに液体を導入して、化学反応を前記チャンバーまたは前記流路にて行うための流体チップと、
前記複数の磁性粒子に第１の磁力を及ぼして前記複数の磁性粒子を凝集させて前記流路を閉塞し、それによって前記液体の流れを遮断する閉状態と、前記複数の磁性粒子に前記第１の磁力よりも弱い第２の磁力を及ぼして前記複数の磁性粒子を前記流路の壁面の一部に分散させて前記流路を開放し、それによって前記液体を流す開状態とを可逆的に切り換えるように、前記流体チップに生じる磁界を制御可能な磁界発生装置と
を備える、化学反応装置。
【請求項２２】
前記磁界発生装置による前記磁界の制御により、前記磁性粒子を前記流路の分岐点又は前記流路に凝集させて閉状態とすることにより流路を切り替え、前記液体を目的の前記流路もしくは前記チャンバーに移動させることを特徴とする、請求項２１に記載の化学反応装置。
【請求項２３】
前記磁界発生装置は、前記第１の磁力によって前記凝集した状態を維持しつつ前記複数の磁性粒子が前記流路の一つの位置から他の位置へ移動するように、前記磁界を制御可能であることを特徴とする、請求項２１に記載の化学反応装置。
【請求項２４】
前記磁界発生装置は、前記第２の磁力によって前記流路の壁面に分散した状態を維持しつつ前記複数の磁性粒子を前記流路内の一つの位置から他の位置へ移動するように、前記磁界を制御可能であることを特徴とする、請求項２１に記載の化学反応装置。
【請求項２５】
前記磁界発生装置が永久磁石を備えることを特徴とする、請求項２１に記載の化学反応装置。
【請求項２６】
前記磁界発生装置が電磁石を備えることを特徴とする、請求項２１に記載の化学反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、磁性粒子を有し、化学反応を微小領域で行うために好適に用いられる流体チップ、それを用いた流体移動制御方法、および化学反応装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  基材上の微細領域において生化学または化学反応を生じさせる、マイクロタスと呼ばれる流体チップとして、様々な物が開発されている。この種の流体チップは、取り扱う液体が微量であることを利用して、反応の時間短縮・反応効率上昇などが見込まれ、迅速性が要求される健康診断チップなどにおいて有用であると期待されている。【０００３】  流体チップでは、反応室、分析対象試料、反応液を収容するチャンバー、これらを連結するマイクロチャネル（直径１〜１０００μｍ程度）を基材上の微細領域に集積するが、マイクロチャネル中で微量（１０−３〜１０００μＬ程度）の試料や反応液を制御しながら輸送することが必要である。以下、前記マイクロチャネルを単に流路と称することがある。【０００４】  輸送の際必要なのは、決まった量の液体を狙った流路に送るということであり、液体が流れる流路を切り替えるには、送液の手段を工夫するか、もしくは流路内に弁を設け、それを操作するという方法がとられている。【０００５】  従来、一般的には、チャンバーに連結した流路を有する流体チップにおいては、複数の流路を単一の弁で切り替る機能を持った複雑な弁を配置することは困難であり、流路の切り替えを行う際には、複数の流路上にそれぞれ個別に設けられた弁を対応する流路に対して制御する必要があった。【０００６】  また、流路の切り替えにおいては、流体チップの構造・送液方法も大きく関わっており、流路の効率良い選択は流体チップをデザインする段階でほぼ決定され、流体チップを完成したのちの様々な変更は一般に困難である。【０００７】  これらの問題点を解決するために、例えば、特許文献１に、磁性流体を使用して流路を切り替える方法が開示されている。詳細には、特許文献１には、毛細管状の流路に磁性流体を導入し、磁性流体に作用する磁界の変化により、被制御流体が流れる流路を切り替えることを特徴とする流路切り替え法が記載されている。【０００８】  以下、図１１を参照して特許文献１に開示された方法について説明する。永久磁石（図示せず。）を流路５の下面に配置して磁性流体Ｍを流路５中に固定し、それによって流路５を閉塞させる。この状態で着色水を導入口１０から流路４に導入すると、着色水は流路４から集合部１３を経て流路６に流れて流出口１２から流出し、流路５には流れ込まない。【０００９】  磁性流体を用いて液体を移動させる同様の方法が、特許文献２にも開示されている。【００１０】  前述のように、弁を用いた流体チップは、複雑になるに従って弁の数が増加し、弁の数が増加するとそれらを効率よく制御することが困難になる。また、流路の数と同数またはそれ以上の個数の弁を設置すると、流体チップのサイズを小さくすることは困難である。加えて、一般に、流体チップにおいては綿密な流路設計が必要なため、一度設計した流路のレイアウトを変更することは困難である。もし流路のレイアウトに何らかの変更を加えようとする場合、流路設計の根本的な改変を試みなければならない。【００１１】  このように従来のこの種の技術においては、弁の制御や弁自体の微細加工の困難さ、流路のレイアウトの自由度が低いという課題を有していた。【００１２】  また、磁性流体を用いた毛細管���流路における流路切り替え方法では、毛細管状流路に導入する際に磁性流体の粘性を考慮する必要があり、加えて磁性流体の溶媒の検討も必要であり、考慮すべきパラメーターが多い。【００１３】  さらに、磁性流体では流路を閉塞することは可能であるが、流路を開放することは困難である。具体的には、磁性流体は液体であるので、栓として機能している磁性流体を流路中から除去するには、取り扱う液体の流れを阻害しない場所まで磁性流体を磁石で移動させるしかない。しかし、磁性流体が移動する際に周囲の液体に影響を与え、磁性流体と共に移動させてしまう。【００１４】
【特許文献１】特開２００４−７７２５８号公報
【特許文献２】特開２００３−１４７７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】  本発明は前記従来の課題を解決し、開閉可能な弁を有する流体チップ、それを用いた流体移動制御方法、および化学反応装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】  本発明の第１の態様は、液体を支持する液体支持体と、前記液体支持体に囲まれてなり前記液体が移動する流路と、前記流路内に配置された複数の磁性粒子とを備え、前記磁性粒子に第１の磁力を作用させて前記磁性粒子を凝集させることで前記流路を閉塞し、前記液体の流れを遮断する閉状態と、前記第１の磁力より弱い第２の磁力を作用させて前記磁性粒子を前記流路の壁面の一部に分散させることで前記流路を開放し、前記液体を流す開状態と間で可逆的に切り換え可能である流体チップを提供する。【００１７】  また、本発明の第２の態様は、流体チップ内の液体の移動を制御する方法であって、前記流体チップは、前記液体を支持する液体支持体と、前記液体支持体に囲まれてなり前記液体が移動する流路と、前記流路内に配置された複数の磁性粒子とを備え、前記方法は、磁石から前記複数の磁性粒子に第１の磁力を作用させ、それによって前記複数の磁性粒子を凝集させて前記流路を閉塞し、前記液体の流れを遮断する工程、および前記磁石から前記複数の磁性粒子に前記第１の磁力よりも弱い第２の磁力を作用させ、それによって前記流路の壁面の一部に前記複数の磁性粒子を分散させて前記流路を開放し、前記液体の流れを許可する工程、を有し、前記第１の磁力を作用させることによる前記複数の磁性粒子の凝集と、前記第２の磁力を作用させることによる前記複数の磁性粒子の分散とを可逆的に切り換え可能である方法を提供する。【００１８】  さらに、本発明の第３の態様は、流路と、チャンバーと、前記流路内に配置された複数の磁性粒子とを有し、外部から前記流路および前記チャンバーに液体を導入して、化学反応を前記チャンバーまたは前記流路にて行うための流体チップと、前記複数の磁性粒子に第１の磁力を及ぼして前記複数の磁性粒子を凝集させて前記流路を閉塞し、それによって前記液体の流れを遮断する閉状態と、前記複数の磁性粒子に前記第１の磁力よりも弱い第２の磁力を及ぼして前記複数の磁性粒子を前記流路の壁面の一部に分散させて前記流路を開放し、それによって前記液体を流す開状態とを可逆的に切り換えるように、前記流体チップに生じる磁界を制御可能な磁界発生装置とを備える、化学反応装置を提供する。
【発明の効果】
【００１９】  本発明においては、流路中の任意の場所に磁力によって磁性粒子を集合させることで弁を形成し、また前記弁を磁界の変化によって開閉して液体の流れに影響を与えずに液体の移動を制御することができる。また、液体の流れに影響を与えずに任意の場所に磁性粒子の弁を形成できるので、流路のレイアウトの自由度が高い。【００２０】  また、このように、流体チップ中の流路の任意の場所に、磁界の変化で開閉を制御することのできる磁性粒子による弁を設置することで、例えば化学反応を微小領域で行うための流体チップの流路設計などの自由度を上げ、複雑な反応系に対応できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】本発明における、磁性粒子を利用した弁の開閉方法の原理を説明するための模式図（閉弁状態）。
【図１Ｂ】本発明における、磁性粒子を利用した弁の開閉方法の原理を説明するための模式図（開弁状態）。
【図２Ａ】図１ＡのＩＩ−ＩＩ線での断面図。
【図２Ｂ】図１ＢのＩＩ−ＩＩ線での断面図。
【図３】本発明における磁性粒子を集合させることにより弁を形成する化学反応装置を示す模式的な平面図。
【図４Ａ】図３の部分４５の拡大図（磁性粒子は凝集状態にある）。
【図４Ｂ】図３の部分４５の拡大図（磁性粒子は移動中である）。
【図４Ｃ】図２の部分４５の拡大図（磁性粒子は凝集状態にある）。
【図５Ａ】電磁石を用いた磁界発生装置の代案を示す模式的な部分平面図（閉弁状態）。
【図５Ｂ】図５Ａの側面図。
【図５Ｃ】電磁石を用いた磁界発生装置の代案を示す模式的な部分平面図（開弁状態）。
【図６】実施例１の化学反応装置を示す平面図。
【図７Ａ】実施例１の化学反応装置を示す写真（閉弁状態）。
【図７Ｂ】実施例１の化学反応装置を示す写真（閉弁状態で色素溶液を導入して液体を加圧）。
【図７Ｃ】実施例１の化学反応装置を示す写真（開弁状態で液体を加圧）。
【図７Ｄ】実施例１の化学反応装置を示す写真（磁性粒子の移動）。
【図８Ａ】図７Ａを部分的に拡大した写真。
【図８Ｂ】図７Ｂを部分的に拡大した写真。
【図８Ｃ】図７Ｃを部分的に拡大した写真。
【図８Ｄ】図７Ｄを部分的に拡大した写真。
【図９】実施例２の化学反応装置を示す模式的な平面図。
【図１０】従来の磁性流体を用いた流路切り替えを示す図。
【符号の説明】
【００２２】  ４，５，６  流路
１０  導入口
１２  流出口
１３  集合部
Ｍ  磁性流体
２１  磁性粒子
２２，３９，４０，４１，５４，１０２，１０３，１０４，１０５  流路
２３  磁石
２４  液体
２５，３４  液体支持体
３５，３６，３７，１１２，１１３，１１４，１１５  チャンバー
１１０  中央チャンバー
５１，５２  電磁石
１０３ａ，１０４ａ，１０５ａ  分岐
１１０  中央チャンバー
１２５  色素溶液
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】  図１Ａから図２Ｂを参照して、本発明の流体移動制御方法における、磁性粒子を利用した弁の開閉方法の原理を説明する。図１Ａから図２Ｂに示す板状の流体チップは、液体を支持する液体支持体２５と、この液体支持体２５に囲まれ、液体２４が移動するマイクロチャネルないしは流路２２と、この流路２２内に配置された複数の磁性粒子２１とを備えている。【００２４】  本発明では磁性粒子を用いて弁を構成し、その開閉を行う。流路２２を閉塞する場合は、図１Ａおよび図２Ａに示すように、流路２２の磁性粒子２１が配置されている部位に永久磁石２３を近づけて磁性粒子２１に対して比較的強い磁力（第１の磁力）を作用させ、流路２２内で磁性粒子２１を凝集させて流路２２を閉塞し、液体２４の流れを遮断する（閉弁状態）。一方、流路２２を開放したい場合には、図１Ｂおよび図２Ｂに示すように、永久磁石２３を流路２２からずらして遠ざけて磁性粒子２１に対して比較的弱い磁力（第２の磁力）を作用させ、流路２２の壁面の一部に分散した状態に磁性粒子２１を集合させ、凝集した磁性粒子２１の集合を解除する（開弁状態）。これによって流路２２が開放され、液体２４は流路２２中を流れることができる。このように磁性粒子２１に対する永久磁石２３の位置、すなわち永久磁石２３から磁性粒子２１に対して作用する磁力の強弱を制御することで弁の開閉を行うことが可能である。この開閉は流路２２内の液体２４の流れにはほとんど影響を与えない。また、永久磁石２３から磁性粒子２１に作用する磁力を調節することで、磁性粒子２１の凝集（閉弁状態）と分散（開弁状態）を可逆的に繰り返すことができる。【００２５】  図１Ａから図２Ｂに示す例では、永久磁石２３を液体支持体２５上で移動させることにより磁性粒子２１に作用する磁力を調整している。しかし、永久磁石２３を液体支持体２５から離れる方向に移動させることにより磁性粒子２１に作用する磁力を調整してもよい。【００２６】  図３は、本発明の流体移動制御方法を用いた化学反応装置の一例を示す。この化学反応装置は、液体２４を支持する液体支持体３４を備え、この液体支持体３４の内部には、第１、第２、および第３のチャンバー３５，３６，３７と、これらのチャンバー３５〜３７を連結する第１、第２、および第３の送液用の流路（マイクロチャネル）３９，４０，４１が設けられている。詳細には、第１から第３の流路３９〜４１の一端に第１から第３のチャンバー３５〜３６のうちの１つが接続されている。また、第１から第３の流路３９〜４１の他端は１箇所で合流している。換言すれば、流路３９〜４１はこの箇所から分岐している。さらに、第１の流路３９と第３の流路４１は同一方向に延び、第２の流路４０は第１および第３の流路３９，４１に対して直交する方向に延びている。チャンバー３５〜３７および流路３９〜４１を備えるこの液体支持体３４は、化学反応を微小領域で行うための流体チップを構成する。【００２７】  流路３９〜４１のいずれかの部位に磁性粒子２１が導入されている。永久磁石２３が液体支持体３４の図において上面側に配置されている。また、この永久磁石２３を液体支持体３４上で移動させるアクチュエータ４２が設けられている。この��クチュエータ４２は、例えばＸＹテーブルからなる。永久磁石２３およびアクチュエータ４２は本発明における磁界発生装置の一例である。【００２８】  また、液体支持体３４には流路３９〜４１およびチャンバー３５〜３７の少なくとも一箇所に液体支持体３４の外部と連通する開口部（図示せず）が設けられており、この開口部を介して外部から流路３９〜４１およびチャンバー３５〜３７の内部に液体２４を導入できる。【００２９】  流体チップを構成する液体支持体３４の材質および形状は任意であり、例えばガラス、樹脂、金属などが使用できる。液体支持体３４は、マイクロチャネル状の流路とチャンバーを有するものであればよい。【００３０】  液体支持体３４に設けられた流路３９〜４１の断面積は、１μｍ２以上１×１０６μｍ２以下（断面が正方形である場合、幅が１μｍ以上１０００μｍ以下、かつ深さが１μｍ以上１０００μｍ以下）であることが好ましい。本発明の対象となる流路としては、２本以上の流路が集合した構成を持つものが適している。また、本発明は、例えばチャンバーから複数の流路が直接分岐する場合にも適応され、図３に示すような流路３９〜４１が一個所に合流する構成に限定されない。さらに、流路の数は任意である。【００３１】  チャンバー３５〜３７の断面形状は特に限定されず、図示の円形以外に、楕円、長方形、六角形などであってもよい。チャンバー３５〜３７の大きさは、縦および横共に１〜５００００μｍ程度、深さは１〜５０００μｍ程度が好ましい。なお、チャンバー３５〜３７の幅および深さは流路３９〜４１と同じでもよい。【００３２】  本発明で使用する磁性粒子２１は、それ自体がある程度の磁性を有する。詳細には、複数の磁性粒子２１は、永久磁石２３からの磁力が作用しない場合も互いに作用する磁力によって集合した状態をある程度維持し、かつ磁石２３から作用する磁力が比較的弱い場合も流路内の液体２４の流れに抗して流路の壁面の一部に分散した状態を維持するが、永久磁石２３から強い磁力が作用しない限り流路内で凝集して流路を閉塞することはない。また、磁性粒子２１は、直径が１μｍ以上１００μｍ以下の範囲であり、流路幅に対して１００分の１程度が好ましく、例えば、流路幅１００〜１０００μｍに対しては１〜１０μｍ程度が好ましい。この磁性粒子２１の大きさは本発明において重要であり、ナノメートルオーダーの粒子では液体２４への分散が激しく、また磁界によって引き付けられる力が弱いため本発明には適さない。具体的には、磁性粒子２１の材質は、鉄、コバルト、ニッケル、希土類、またはその酸化物や合金などであり、磁界によって引き付けられる性質を持つ。【００３３】  磁性粒子２１の表面は、液体２４と相反する性質を持つように処理されていてもよい。詳細には、液体２４が水溶液等の親水性の液体である場合、磁性粒子２１の表面を疎水性を有するように処理し、撥水性とすることが好ましい。この種の処理として撥水ポリマーによる処理や、磁性粒子２１に疎水性官能基を修飾することによる処理がある。例えば、アクリレイト（ａｃｒｙｌａｔｅ）処理がある。一方、液体２４が疎水性溶液等の疎水性の液体である場合、磁石粒子２１の表面を親水性を有するように処理することが好ましい。この種の処理としては、例えば親水ポリマーによる処理や、アミノ処理などがある。【００３４】  磁性粒子２１の流路３９〜４１への導入のタイミングは液体２４の導入より前であっても後であってもよく、チップ３４を加工する際にチャンバー３５〜３７に予め封入することもできるし、液体２４を導入した後に、前述の開口部から導入することも可能である。粒状体である磁性粒子２１は磁性流体と比較すると粘性を特に考慮することなく流路に導入できる。また、磁性流体と比較すると導入の際に使用する液体に関する制約も少ない。【００３５】  液体２４は、流体チップにおいて分析しようとする試料、試料との反応成分を含む反応液、また試料や反応液のｐＨ等を一定に保持するための緩衝液等を含む。また、液体２４の例としては、免疫学的な特異的結合を引き起こすための抗原または抗体成分、核酸の特異的結合反応を引き起こすためのオリゴヌクレオチド成分、核酸増幅反応を引き起こすための成分、酵素反応を引き起こすための酵素成分、これらの混合物等の特定の反応を起こす成分を含む反応溶液があり、この反応溶液は分析成分によって、疎水性又は親水性のいずれであってもよい。【００３６】  磁性粒子２１を移動させることで、任意の場所に弁を形成することができる。以下、図３の部分４５の拡大図である図４Ａから図４Ｃを参照してその方法を説明する。まず、図３Ａに示すように、チップ３４上の位置Ａに永久磁石２３を配置し、永久磁石２３付近で磁性粒子２１を凝集させて閉弁状態とする（第１の磁力）。次に、永久磁石２３をチップ３４上で移動させて流路３９から遠ざける。これによって磁性粒子２１が流路３９の壁面の一部に分散し、開弁状態となる（第２の磁力）。図４Ｂに示すように、開弁状態、すなわち磁性粒子２１が分散した状態を維持したまま、永久磁石２３を目的の位置Ｂに向けて移動させる。図４Ｃに示すように、流路４１に近接した位置Ｂに永久磁石２３を配置すると、永久磁石２３付近で磁性粒子２１が凝集して閉弁状態の弁が形成される。このように液体２４に影響を与えることなく任意の場所に磁性粒子２１を移動させ、弁を形成することができる。また、流路３９〜４１やチャンバー３５〜３７の弁を形成する位置は特に限定されない。このように液体２４に影響を与えることなく、磁性粒子２１による弁の位置を流路３９〜４１およびチャンバー３５〜３７内で移動できるので、単一の弁で複数の流路を切り替えることが可能である。また、流体チップが完成した後の種々の変更も容易であり、流路のレイアウトの自由度が高い。【００３７】  図３では、磁性粒子２１は第１の流路３９の第１のチャンバー３５との接続位置付近に配置されている。永久磁石２３を流路３９の磁性粒子２１が配置されている部位に近づけると、磁性粒子２１が凝集して流路３９を閉塞する。この閉弁状態では、第１の流路３９を通って第１のチャンバー３５から３つの流路３９〜４１の分岐位置に向かう液体２４の流れとこの分岐位置からチャンバー３５に向かう液体２４の流れが妨げられる。この状態では流路３９やチャンバー３５は他の流路やチャンバーから遮断されるので、流路３９やチャンバー３５内でのみ化学反応を行わせることができる。【０���３８】  また、前述の閉弁状態では、流路３９〜４１の分岐位置から第１のチャンバー３５に向かう液体２４の流れが遮断されるので、第２のチャンバー３６から第２の流路４０および第３の流路４１を介して第３のチャンバー３７にのみ液体２４を送り込むことができる。このように、マイクロチャネルからなる流路３９〜４１又はそれに連結されたチャンバー３５〜３７に液体を導入し、磁性粒子２１を外部からの磁力により目的の部位に凝集させて栓をすることで、栓をしなかった目的の流路３９〜４１やチャンバー３５〜３７に液体２４を分岐させてを送り込むことができる。【００３９】  図３に示す部位に磁性粒子２１が配置され、かつ磁性粒子２１が凝集した流路３９を閉塞している場合、流路３９に近接した状態を維持したまま永久磁石２３を流路３９〜４１の分岐位置に向かって移動させると、磁性粒子２１は凝集して流路３９を閉塞した状態を維持したままで第１の流路３９中を分岐位置に向かって移動する。その結果、流路３９に栓をしている磁性粒子２１がピストンとして機能し、第１の流路３９内の磁性粒子２１よりも分岐位置側の液体２４が分岐位置に向かって流れる。【００４０】  磁性粒子への磁界の印加方法は特には限定されず、永久磁石に代えて例えば電磁石を用いることができる。特に、電磁石を用いた場合は、電気的な制御により、任意の場所に磁界を発生させることや、磁界を相対的に移動させることが可能なので好ましい。図５Ａから図５Ｃは、磁界発生装置として電磁石を採用した例を示す。図５Ａおよび図５Ｂに示すように、流路５４の開閉を行う箇所に予め第１および第２の電磁石５１，５２が設置されている。第１の電磁石５１は液体支持体２５の下面側の流路５４の真下に配置されている。第２の電磁石５２は液体支持体２５の下面側であるが平面視で流路５４から外れた位置に配置されている。閉弁時には、流路５４の真下の第１の電磁石５１に電流を流して磁性粒子５３を凝集させる。この閉弁時には第２の電磁石５２に電流を流さない。開弁時には流路５４の真下の第１電磁石５１への電流の供給を停止する一方、第２の電磁石５２に電流を流し、磁性粒子２１を流路５４の壁面の一部に密着した状態で分散させることで流路５４を開放する。このように電流の制御で弁の開閉を行うことが可能という点で、電磁石の使用は好ましい。また、磁界の方向および強さを調整するために、複数の磁石を使用することも可能である。【００４１】  以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００４２】  磁性粒子、流路およびチャンバーを有する流体チップを作製し、磁石を用いて、磁性粒子による弁の効果の確認を行った。【００４３】  まず、前述した図２の流体チップを作製した。図６に製作した流体チップを示す。また、図７Ａから図７Ｄは製作した流体チップの写真であり、図８Ａから図８Ｄはそれらの一部を拡大した写真である。流体チップは以下の手順で作成した。すなわち、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）の一例であるダウコーニングアジア株式会社製シルポット（商標）を用い、本体溶液と重合液を９：１の割合で混合し、流路とチャンバーの対応する形状の凸部を有する型に流し入れて一昼夜室温で静置して硬化させ、流路３９〜４１（長さ１６、２５ｍｍ、幅６００μｍ、深さ６００μｍ）およびチャンバー３５〜３７（径φ１ｃｍ、深さ１．５ｍｍ、貫通開口部φ１ｍｍ）の形状に凹部分を有したチップを形成した。このチップの下部にポリスチレン製の樹脂板（厚さ１．５ｍｍ）を接着し、個々のチャンバー３５〜３７に空けられた孔３５ａ〜３７ａのみが上部に開口した流体チップ（全体の直径φ４ｃｍ、厚さ６ｍｍ）とした。【００４４】  次に、チップ３４に含まれるチャンバー３５〜３７と流路３９〜４１に液体２４を充填した後、磁性粒子２１（ｍｉｃｒｏｍｏｄ  Ｐａｔｉｋｅｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅ  ＧｍｂＨ社製、ＰＬＡ−Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ−Ｍ、品番１２−０２−１０５、粒子直径１００μｍ）をチャンバー３５の開口部３５ａから導入した。また、流路３９の底壁を構成する樹脂板の下面側にネオジム磁石（φ４ｍｍ×５ｍｍ  円柱型、表面磁束密度  １０５ｍＴ）２３を配置し、樹脂板を隔てて作用するネオジム磁石２３の磁力によって磁性粒子２１を凝集させることで流路３９内に弁（閉弁状態）を形成した（図７Ａ及び図８Ａ）。ここで、チャンバー３６の開口部３６ａから色素溶液１２４（食紅水溶液）を加えてシリンジにより圧力をかけると、色素溶液１２４は第２の流路４０を通り、流路３９を塞ぐ前記閉弁状態の弁が存在する第１の流路３９を通過せず、第３の流路４１のみに流れ込んだ（図７Ｂ及び図８Ｂ）。また、さらにネオジム磁石２３を第１の流路３９の真下より５ｍｍ程度遠ざけると、第１の流路３９の壁面に磁性粒子２１が分散することで前記弁は開放状態となった。この状態でチャンバー３６に圧力をかけると色素溶液１２４は開放状態の前記弁を通過し、第１の流路３９およびチャンバー３５にも流れ込むことが確認された（図７Ｃ及び図８Ｃ）。これにより、磁性粒子が流路を閉塞している状態（閉弁状態）では液体の流れを遮断し、磁性粒子が流路の壁面に分散している状態（開弁状態）では、磁性粒子は液体に流されることなくその位置を維持したまま液体を通過させることが実証された。【００４５】  加えて、色素溶液１２４がチャンバー３５〜３７と流路３９〜４１に充填された状態でネオジム磁石２３を第１の流路３９の真下から第３の流路４１の真下に移動させることで、磁性粒子２１を第３の流路４１に移動させて流路４１に弁を形成できた。すなわち、予め磁性粒子２１を設置していない部位での弁の形成が実証された。続いて、第３の流路４１に閉弁状態の弁が存在する状態で、第２のチャンバー３６の開口部３���ａから再び液体２４を供給してシリンジで圧力を加えると、液体２４は色素溶液１２４を押し流しながら第２の流路４０を通り、弁がある流路４１は通過せず、第１の流路３９にのみ流れ込んだ（図７Ｄ及び図８Ｄ）。これにより、磁性粒子２１による弁の形成は第２の流路４０もしくは第３の流路４１の任意の部位で可能であり、弁を形成する上で流路の部位は特に限定されないことが実証された。【００４６】  このように、本発明の構成によれば、流体チップ内に予め弁を設置しなくとも、流路内に設置された磁性粒子を外部からの磁界を制御することによって、所望の流路に液体を流すことが可能である。
【実施例２】
【００４７】  実施例１と同様にして、図５に示す流体チップを作製した。具体的には、流体チップである液体支持体１１１の内部に、中央チャンバー１１０と、この中央チャンバー１１０よりも小型の第１、第２、第３、および第４チャンバー１１２，１１３，１１４，１１５を形成した。また、第１〜第４のチャンバー１１２〜１１５と中央チャンバー１１０とをそれぞれ連結する第１、第２、第３、および第４の流路１０２，１０３，１０４，１０５を形成した。さらに、第１から第４のチャンバー１１２〜１１５には、液体および磁性粒子２１を導入するための開口部（図示せず）を形成した。【００４８】  バッファー溶液１１８を導入した後、磁性粒子２１を導入し、永久磁石２３を用いて磁性粒子２１を凝集させることで、中央チャンバー１１０からの第２の流路１０３の分岐１０３ａに弁（閉弁状態）を形成した。【００４９】  次に、第１のチャンバー１１２から第１の流路１０２を通過させ、中央チャンバー１１０に液体２４を満たして、シリンジにより圧力を加えたすると、分岐部１０３ａには磁性粒子２１が凝集して閉弁状態の弁を形成しているため、液体２４は第２の流路１０３には流れ込まず、分岐１０４ａ，１０５ａを通過して第３および第４の流路１０４，１０５に流れ込んだ。【００５０】  さらに、前記弁を形成した磁性粒子２１を、永久磁石２３を用いて第３の流路１０４の分岐１０４ａに移動させ、この部位で新たに弁を形成した。その後、再び第１のチャンバー１１２からシリンジにより圧力を加えたところ、液体２４は第３の流路１０４には流れ込まずに第２および第４の流路１０３，１０５に流れ込んだ。さらにまた、永久磁石２３を用いて、開弁状態を維持したまま磁性粒子２１を中央チャンバー１１０に移動させることで、弁として使用しない場合には磁性粒子２１を分岐から除去することが可能であった。
【産業上の利用可能性】
【００５１】  本発明にかかる流体チップ、並びにそれを用いた流体移動制御方法および化学反応装置によれば、外部からの磁界の制御により、磁気粒子が可逆的に凝集もしくは分散することで弁やピストンとしての役割を果たし、液体を封じ込めたり、移動させたりすることができる。よって、本発明にかかる装置および方法は、微小流体制御等において有用であり、健康診断チップ等の種々の用途に応用できる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年3月28日(2006.3.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を支持する液体支持体と、
前記液体支持体に囲まれてなり前記液体が移動する流路と、
前記流路内に配置された複数の磁性粒子と
を備え、
前記磁性粒子に第１の磁力を作用させて前記磁性粒子を凝集させることで前記流路を閉塞し、前記液体の流れを遮断する閉状態と、
前記第１の磁力より弱い第２の磁力を作用させて前記磁性粒子を前記流路の壁面の一部に分散させることで前記流路を開放し、前記液体を流す開状態と
の間で可逆的に切り換え可能である流体チップ。
【請求項２】
前記磁性粒子の径が、１μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の流体チップ。
【請求項３】
前記液体は親水性の液体であり、かつ前記磁性粒子の表面が撥水性を有することを特徴とする、請求項１に記載の流体チップ。
【請求項４】
前記磁性粒子の表面の撥水性が、撥水ポリマーによる処理で付与されていることを特徴とする、請求項１に記載の流体チップ。
【請求項５】
前記磁性粒子の表面の撥水性が、疎水性官能基を表面に修飾する処理で付与されていることを特徴とする、請求項４に記載の流体チップ。
【請求項６】
前記液体は疎水性の液体であり、かつ前記磁性粒子の表面が親水性を有することを特徴とする、請求項１に記載の流体チップ。
【請求項７】
前記磁性粒子の表面の親水性が、親水ポリマーによる処理で付与されていることを特徴とする、請求項６に記載の流体チップ。
【請求項８】
前記流路の断面積が１μｍ２以上１×１０６μｍ２以下である、請求項１に記載の流体チップ。
【請求項９】
流体チップ内の液体の移動を制御する方法であって、
前記流体チップは、前記液体を支持する液体支持体と、前記液体支持体に囲まれてなり前記液体が移動する流路と、前記流路内に配置された複数の磁性粒子とを備え、
前記方法は、
磁石から前記複数の磁性粒子に第１の磁力を作用させ、それによって前記複数の磁性粒子を凝集させて前記流路を閉塞し、前記液体の流れを遮断する工程、および
前記磁石から前記複数の磁性粒子に前記第１の磁力よりも弱い第２の磁力を作用させ、それによって前記流路の壁面の一部に前記複数の磁性粒子を分散させて前記流路を開放し、前記液体の流れを許可する工程、を有し、
前記第１の磁力を作用させることによる前記複数の磁性粒子の凝集と、前記第２の磁力を作用させることによる前記複数の磁性粒子の分散とを可逆的に切り換え可能である方法。
【請求項１０】
前記複数の磁性粒子に前記第１の磁力が作用する状態を維持しつつ前記磁石を移動させ、前記複数の磁性粒子を前記凝集した状態を維持しつつ前記流路の一つの位置から他の位置へ移動させ、それによって前記流路内の液体を移動させることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記複数の磁性粒子に前記第２の磁力を作用する状態を維持しつつ前記磁石を移動させ、前記複数の磁性粒子を前記流路の壁面に分散した状態を維持しつつ前記流路内の一つの位置から他の位置へ移動させることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記磁性粒子の径が、１μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記磁石は永久磁石であることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記磁石は電磁石であることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記液体として親水性の液体を用い、かつ前記磁性粒子の表面が撥水性を有することを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
前記磁性粒子の表面の撥水性が、撥水ポリマーによる処理で付与されていることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記磁性粒子の表面の撥水性が、疎水性官能基を表面に修飾する処理で付与されていることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記液体として疎水性の液体を用い、かつ前記磁性粒子の表面が親水性を有することを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１９】
前記磁性粒子の表面の親水性が、親水ポリマーによる処理で付与されていることを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記流路の断面積が１μｍ２以上１×１０６μｍ２以下である、請求項９に記載の方法。
【請求項２１】
流路と、チャンバーと、前記流路内に配置された複数の磁性粒子とを有し、外部から前記流路および前記チャンバーに液体を導入して、化学反応を前記チャンバーまたは前記流路にて行うための流体チップと、
前記複数の磁性粒子に第１の磁力を及ぼして前記複数の磁性粒子を凝集させて前記流路を閉塞し、それによって前記液体の流れを遮断する閉状態と、前記複数の磁性粒子に前記第１の磁力よりも弱い第２の磁力を及ぼして前記複数の磁性粒子を前記流路の壁面の一部に分散させて前記流路を開放し、それによって前記液体を流す開状態とを可逆的に切り換えるように、前記流体チップに生じる磁界を制御可能な磁界発生装置と
を備える、化学反応装置。
【請求項２２】
前記磁界発生装置による前記磁界の制御により、前記磁性粒子を前記流路の分岐点又は前記流路に凝集させて閉状態とすることにより流路を切り替え、前記液体を目的の前記流路もしくは前記チャンバーに移動させることを特徴とする、請求項２１に記載の化学反応装置。
【請求項２３】
前記磁界発生装置は、前記第１の磁力によって前記凝集した状態を維持しつつ前記複数の磁性粒子が前記流路の一つの位置から他の位置へ移動するように、前記磁界を制御可能であることを特徴とする、請求項２１に記載の化学反応装置。
【請求項２４】
前記磁界発生装置は、前記第２の磁力によって前記流路の壁面に分散した状態を維持しつつ前記複数の磁性粒子を前記流路内の一つの位置から他の位置へ移動するように、前記磁界を制御可能であることを特徴とする、請求項２１に記載の化学反応装置。
【請求項２５】
前記磁界発生装置が永久磁石を備えることを特徴とする、請求項２１に記載の化学反応装置。
【請求項２６】
前記磁界発生装置が電磁石を備えることを特徴とする、請求項２１に記載の化学反応装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性粒子を有し、化学反応を微小領域で行うために好適に用いられる流体チップ、それを用いた流体移動制御方法、および化学反応装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
基材上の微細領域において生化学または化学反応を生じさせる、マイクロタスと呼ばれる流体チップとして、様々な物が開発されている。この種の流体チップは、取り扱う液体が微量であることを利用して、反応の時間短縮・反応効率上昇などが見込まれ、迅速性が要求される健康診断チップなどにおいて有用であると期待されている。
【０００３】
流体チップでは、反応室、分析対象試料、反応液を収容するチャンバー、これらを連結するマイクロチャネル（直径１〜１０００μｍ程度）を基材上の微細領域に集積するが、マイクロチャネル中で微量（１０-３〜１０００μL程度）の試料や反応液を制御しながら輸送することが必要である。以下、前記マイクロチャネルを単に流路と称することがある。
【０００４】
輸送の際必要なのは、決まった量の液体を狙った流路に送るということであり、液体が流れる流路を切り替えるには、送液の手段を工夫するか、もしくは流路内に弁を設け、それを操作するという方法がとられている。
【０００５】
従来、一般的には、チャンバーに連結した流路を有する流体チップにおいては、複数の流路を単一の弁で切り替る機能を持った複雑な弁を配置することは困難であり、流路の切り替えを行う際には、複数の流路上にそれぞれ個別に設けられた弁を対応する流路に対して制御する必要があった。
【０００６】
また、流路の切り替えにおいては、流体チップの構造・送液方法も大きく関わっており、流路の効率良い選択は流体チップをデザインする段階でほぼ決定され、流体チップを完成したのちの様々な変更は一般に困難である。
【０００７】
これらの問題点を解決するために、例えば、特許文献１に、磁性流体を使用して流路を切り替える方法が開示されている。詳細には、特許文献１には、毛細管状の流路に磁性流体を導入し、磁性流体に作用する磁界の変化により、被制御流体が流れる流路を切り替えることを特徴とする流路切り替え法が記載されている。
【０００８】
以下、図１１を参照して特許文献１に開示された方法について説明する。永久磁石（図示せず。）を流路５の下面に配置して磁性流体Ｍを流路５中に固定し、それによって流路５を閉塞させる。この状態で着色水を導入口１０から流路４に導入すると、着色水は流路４から集合部１３を経て流路６に流れて流出口１２から流出し、流路５には流れ込まない。
【０００９】
磁性流体を用いて液体を移動させる同様の方法が、特許文献２にも開示されている。
【００１０】
前述のように、弁を用いた流体チップは、複雑になるに従って弁の数が増加し、弁の数が増加するとそれらを効率よく制御することが困難になる。また、流路の数と同数またはそれ以上の個数の弁を設置すると、流体チップのサイズを小さくすることは困難である。加えて、一般に、流体チップにおいては綿密な流路設計が必要なため、一度設計した流路のレイアウトを変更することは困難である。もし流路のレイアウトに何らかの変更を加えようとする場合、流路設計の根本的な改変を試みなければならない。
【００１１】
このように従来のこの種の技術においては、弁の制御や弁自体の微細加工の困難さ、流路のレイアウトの自由度が低いという課題を有していた。
【００１２】
また、磁性流体を用いた毛細管状流路における流路切り替え方法では、毛細管状流路に導入する際に磁性流体の粘性を考慮する必要があり、加えて磁性流体の溶媒の検討も必要であり、考慮すべきパラメーターが多い。
【００１３】
さらに、磁性流体では流路を閉塞することは可能であるが、流路を開放することは困難である。具体的には、磁性流体は液体であるので、栓として機能している磁性流体を流路中から除去するには、取り扱う液体の流れを阻害しない場所まで磁性流体を磁石で移動させるしかない。しかし、磁性流体が移動する際に周囲の液体に影響を与え、磁性流体と共に移動させてしまう。
【００１４】
【特許文献１】特開２００４-７７２５８号公報
【特許文献２】特開２００３-１４７７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は前記従来の課題を解決し、開閉可能な弁を有する流体チップ、それを用いた流体移動制御方法、および化学反応装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の第１の態様は、液体を支持する液体支持体と、前記液体支持体に囲まれてなり前記液体が移動する流路と、前記流路内に配置された複数の磁性粒子とを備え、前記磁性粒子に第１の磁力を作用させて前記磁性粒子を凝集させることで前記流路を閉塞し、前記液体の流れを遮断する閉状態と、前記第１の磁力より弱い第２の磁力を作用させて前記磁性粒子を前記流路の壁面の一部に分散させることで前記流路を開放し、前記液体を流す開状態と間で可逆的に切り換え可能である流体チップを提供する。
【００１７】
また、本発明の第２の態様は、流体チップ内の液体の移動を制御する方法であって、前記流体チップは、前記液体を支持する液体支持体と、前記液体支持体に囲まれてなり前記液体が移動する流路と、前記流路内に配置された複数の磁性粒子とを備え、前記方法は、磁石から前記複数の磁性粒子に第１の磁力を作用させ、それによって前記複数の磁性粒子を凝集させて前記流路を閉塞し、前記液体の流れを遮断する工程、および前記磁石から前記複数の磁性粒子に前記第１の磁力よりも弱い第２の磁力を作用させ、それによって前記流路の壁面の一部に前記複数の磁性粒子を分散させて前記流路を開放し、前記液体の流れを許可する工程、を有し、前記第１の磁力を作用させることによる前記複数の磁性粒子の凝集と、前記第２の磁力を作用させることによる前記複数の磁性粒子の分散とを可逆的に切り換え可能である方法を提供する。
【００１８】
さらに、本発明の第３の態様は、流路と、チャンバーと、前記流路内に配置された複数の磁性粒子とを有し、外部から前記流路および前記チャンバーに液体を導入して、化学反応を前記チャンバーまたは前記流路にて行うための流体チップと、前記複数の磁性粒子に第１の磁力を及ぼして前記複数の磁性粒子を凝集させて前記流路を閉塞し、それによって前記液体の流れを遮断する閉状態と、前記複数の磁性粒子に前記第１の磁力よりも弱い第２の磁力を及ぼして前記複数の磁性粒子を前記流路の壁面の一部に分散させて前記流路を開放し、それによって前記液体を流す開状態とを可逆的に切り換えるように、前記流体チップに生じる磁界を制御可能な磁界発生装置とを備える、化学反応装置を提供する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明においては、流路中の任意の場所に磁力によって磁性粒子を集合させることで弁を形成し、また前記弁を磁界の変化によって開閉して液体の流れに影響を与えずに液体の移動を制御することができる。また、液体の流れに影響を与えずに任意の場所に磁性粒子の弁を形成できるので、流路のレイアウトの自由度が高い。
【００２０】
また、このように、流体チップ中の流路の任意の場所に、磁界の変化で開閉を制御することのできる磁性粒子による弁を設置することで、例えば化学反応を微小領域で行うための流体チップの流路設計などの自由度を上げ、複雑な反応系に対応できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１Ａから図２Ｂを参照して、本発明の流体移動制御方法における、磁性粒子を利用した弁の開閉方法の原理を説明する。図１Ａから図２Ｂに示す板状の流体チップは、液体を支持する液体支持体２５と、この液体支持体２５に囲まれ、液体２４が移動するマイクロチャネルないしは流路２２と、この流路２２内に配置された複数の磁性粒子２１とを備えている。
【００２２】
本発明では磁性粒子を用いて弁を構成し、その開閉を行う。流路２２を閉塞する場合は、図１Ａおよび図２Ａに示すように、流路２２の磁性粒子２１が配置されている部位に永久磁石２３を近づけて磁性粒子２１に対して比較的強い磁力（第１の磁力）を作用させ、流路２２内で磁性粒子２１を凝集させて流路２２を閉塞し、液体２４の流れを遮断する（閉弁状態）。一方、流路２２を開放したい場合には、図１Ｂおよび図２Ｂに示すように、永久磁石２３を流路２２からずらして遠ざけて磁性粒子２１に対して比較的弱い磁力（第２の磁力）を作用させ、流路２２の壁面の一部に分散した状態に磁性粒子２１を集合させ、凝集した磁性粒子２１の集合を解除する（開弁状態）。これによって流路２２が開放され、液体２４は流路２２中を流れることができる。このように磁性粒子２１に対する永久磁石２３の位置、すなわち永久磁石２３から磁性粒子２１に対して作用する磁力の強弱を制御することで弁の開閉を行うことが可能である。この開閉は流路２２内の液体２４の流れにはほとんど影響を与えない。また、永久磁石２３から磁性粒子２１に作用する磁力を調節することで、磁性粒子２１の凝集（閉弁状態）と分散（開弁状態）を可逆的に繰り返すことができる。
【００２３】
図１Ａから図２Ｂに示す例では、永久磁石２３を液体支持体２５上で移動させることにより磁性粒子２１に作用する磁力を調整している。しかし、永久磁石２３を液体支持体２５から離れる方向に移動させることにより磁性粒子２１に作用する磁力を調整してもよい。
【００２４】
図３は、本発明の流体移動制御方法を用いた化学反応装置の一例を示す。この化学反応装置は、液体２４を支持する液体支持体３４を備え、この液体支持体３４の内部には、第１、第２、および第３のチャンバー３５，３６，３７と、これらのチャンバー３５〜３７を連結する第１、第２、および第３の送液用の流路（マイクロチャネル）３９，４０，４１が設けられている。詳細には、第１から第３の流路３９〜４１の一端に第１から第３のチャンバー３５〜３６のうちの１つが接続されている。また、第１から第３の流路３９〜４１の他端は１箇所で合流している。換言すれば、流路３９〜４１はこの箇所から分岐している。さらに、第１の流路３９と第３の流路４１は同一方向に延び、第２の流路４０は第１および第３の流路３９，４１に対して直交する方向に延びている。チャンバー３５〜３７および流路３９〜４１を備えるこの液体支持体３４は、化学反応を微小領域で行うための流体チップを構成する。
【００２５】
流路３９〜４１のいずれかの部位に磁性粒子２１が導入されている。永久磁石２３が液体支持体３４の図において上面側に配置されている。また、この永久磁石２３を液体支持体３４上で移動させるアクチュエータ４２が設けられている。このアクチュエータ４２は、例えばＸＹテーブルからなる。永久磁石２３およびアクチュエータ４２は本発明における磁界発生装置の一例である。
【００２６】
また、液体支持体３４には流路３９〜４１およびチャンバー３５〜３７の少なくとも一箇所に液体支持体３４の外部と連通する開口部（図示せず）が設けられており、この開口部を介して外部から流路３９〜４１およびチャンバー３５〜３７の内部に液体２４を導入できる。
【００２７】
流体チップを構成する液体支持体３４の材質および形状は任意であり、例えばガラス、樹脂、金属などが使用できる。液体支持体３４は、マイクロチャネル状の流路とチャンバーを有するものであればよい。
【００２８】
液体支持体３４に設けられた流路３９〜４１の断面積は、１μｍ２以上１×１０６μｍ２以下（断面が正方形である場合、幅が１μｍ以上１０００μｍ以下、かつ深さが１μｍ以上１０００μｍ以下）であることが好ましい。本発明の対象となる流路としては、２本以上の流路が集合した構成を持つものが適している。また、本発明は、例えばチャンバーから複数の流路が直接分岐する場合にも適応され、図３に示すような流路３９〜４１が一個所に合流する構成に限定されない。さらに、流路の数は任意である。
【００２９】
チャンバー３５〜３７の断面形状は特に限定されず、図示の円形以外に、楕円、長方形、六角形などであってもよい。チャンバー３５〜３７の大きさは、縦および横共に１〜５００００μｍ程度、深さは１〜５０００μｍ程度が好ましい。なお、チャンバー３５〜３７の幅および深さは流路３９〜４１と同じでもよい。
【００３０】
本発明で使用する磁性粒子２１は、それ自体がある程度の磁性を有する。詳細には、複数の磁性粒子２１は、永久磁石２３からの磁力が作用しない場合も互いに作用する磁力によって集合した状態をある程度維持し、かつ磁石２３から作用する磁力が比較的弱い場合も流路内の液体２４の流れに抗して流路の壁面の一部に分散した状態を維持するが、永久磁石２３から強い磁力が作用しない限り流路内で凝集して流路を閉塞することはない。また、磁性粒子２１は、直径が１μｍ以上１００μｍ以下の範囲であり、流路幅に対して１００分の１程度が好ましく、例えば、流路幅１００〜１０００μｍに対しては１〜１０μｍ程度が好ましい。この磁性粒子２１の大きさは本発明において重要であり、ナノメートルオーダーの粒子では液体２４への分散が激しく、また磁界によって引き付けられる力が弱いため本発明には適さない。具体的には、磁性粒子２１の材質は、鉄、コバルト、ニッケル、希土類、またはその酸化物や合金などであり、磁界によって引き付けられる性質を持つ。
【００３１】
磁性粒子２１の表面は、液体２４と相反する性質を持つように処理されていてもよい。詳細には、液体２４が水溶液等の親水性の液体である場合、磁性粒子２１の表面を疎水性を有するように処理し、撥水性とすることが好ましい。この種の処理として撥水ポリマーによる処理や、磁性粒子２１に疎水性官能基を修飾することによる処理がある。例えば、アクリレイト（acrylate）処理がある。一方、液体２４が疎水性溶液等の疎水性の液体である場合、磁石粒子２１の表面を親水性を有するように処理することが好ましい。この種の処理としては、例えば親水ポリマーによる処理や、アミノ処理などがある。
【００３２】
磁性粒子２１の流路３９〜４１への導入のタイミングは液体２４の導入より前であっても後であってもよく、チップ３４を加工する際にチャンバー３５〜３７に予め封入することもできるし、液体２４を導入した後に、前述の開口部から導入することも可能である。粒状体である磁性粒子２１は磁性流体と比較すると粘性を特に考慮することなく流路に導入できる。また、磁性流体と比較すると導入の際に使用する液体に関する制約も少ない。
【００３３】
液体２４は、流体チップにおいて分析しようとする試料、試料との反応成分を含む反応液、また試料や反応液のpH等を一定に保持するための緩衝液等を含む。また、液体２４の例としては、免疫学的な特異的結合を引き起こすための抗原または抗体成分、核酸の特異的結合反応を引き起こすためのオリゴヌクレオチド成分、核酸増幅反応を引き起こすための成分、酵素反応を引き起こすための酵素成分、これらの混合物等の特定の反応を起こす成分を含む反応溶液があり、この反応溶液は分析成分によって、疎水性又は親水性のいずれであってもよい。
【００３４】
磁性粒子２１を移動させることで、任意の場所に弁を形成することができる。以下、図３の部分４５の拡大図である図４Ａから図４Ｃを参照してその方法を説明する。まず、図３Ａに示すように、チップ３４上の位置Ａに永久磁石２３を配置し、永久磁石２３付近で磁性粒子２１を凝集させて閉弁状態とする（第１の磁力）。次に、永久磁石２３をチップ３４上で移動させて流路３９から遠ざける。これによって磁性粒子２１が流路３９の壁面の一部に分散し、開弁状態となる（第２の磁力）。図４Ｂに示すように、開弁状態、すなわち磁性粒子２１が分散した状態を維持したまま、永久磁石２３を目的の位置Ｂに向けて移動させる。図４Ｃに示すように、流路４１に近接した位置Ｂに永久磁石２３を配置すると、永久磁石２３付近で磁性粒子２１が凝集して閉弁状態の弁が形成される。このように液体２４に影響を与えることなく任意の場所に磁性粒子２１を移動させ、弁を形成することができる。また、流路３９〜４１やチャンバー３５〜３７の弁を形成する位置は特に限定されない。このように液体２４に影響を与えることなく、磁性粒子２１による弁の位置を流路３９〜４１およびチャンバー３５〜３７内で移動できるので、単一の弁で複数の流路を切り替えることが可能である。また、流体チップが完成した後の種々の変更も容易であり、流路のレイアウトの自由度が高い。
【００３５】
図３では、磁性粒子２１は第１の流路３９の第１のチャンバー３５との接続位置付近に配置されている。永久磁石２３を流路３９の磁性粒子２１が配置されている部位に近づけると、磁性粒子２１が凝集して流路３９を閉塞する。この閉弁状態では、第１の流路３９を通って第１のチャンバー３５から３つの流路３９〜４１の分岐位置に向かう液体２４の流れとこの分岐位置からチャンバー３５に向かう液体２４の流れが妨げられる。この状態では流路３９やチャンバー３５は他の流路やチャンバーから遮断されるので、流路３９やチャンバー３５内でのみ化学反応を行わせることができる。
【００３６】
また、前述の閉弁状態では、流路３９〜４１の分岐位置から第１のチャンバー３５に向かう液体２４の流れが遮断されるので、第２のチャンバー３６から第２の流路４０および第３の流路４１を介して第３のチャンバー３７にのみ液体２４を送り込むことができる。このように、マイクロチャネルからなる流路３９〜４１又はそれに連結されたチャンバー３５〜３７に液体を導入し、磁性粒子２１を外部からの磁力により目的の部位に凝集させて栓をすることで、栓をしなかった目的の流路３９〜４１やチャンバー３５〜３７に液体２４を分岐させて送り込むことができる。
【００３７】
図３に示す部位に磁性粒子２１が配置され、かつ磁性粒子２１が凝集した流路３９を閉塞している場合、流路３９に近接した状態を維持したまま永久磁石２３を流路３９〜４１の分岐位置に向かって移動させると、磁性粒子２１は凝集して流路３９を閉塞した状態を維持したままで第１の流路３９中を分岐位置に向かって移動する。その結果、流路３９に栓をしている磁性粒子２１がピストンとして機能し、第１の流路３９内の磁性粒子２１よりも分岐位置側の液体２４が分岐位置に向かって流れる。
【００３８】
磁性粒子への磁界の印加方法は特には限定されず、永久磁石に代えて例えば電磁石を用いることができる。特に、電磁石を用いた場合は、電気的な制御により、任意の場所に磁界を発生させることや、磁界を相対的に移動させることが可能なので好ましい。図５Ａから図５Ｃは、磁界発生装置として電磁石を採用した例を示す。図５Ａおよび図５Ｂに示すように、流路５４の開閉を行う箇所に予め第１および第２の電磁石５１，５２が設置されている。第１の電磁石５１は液体支持体２５の下面側の流路５４の真下に配置されている。第２の電磁石５２は液体支持体２５の下面側であるが平面視で流路５４から外れた位置に配置されている。閉弁時には、流路５４の真下の第１の電磁石５１に電流を流して磁性粒子５３を凝集させる。この閉弁時には第２の電磁石５２に電流を流さない。開弁時には流路５４の真下の第１電磁石５１への電流の供給を停止する一方、第２の電磁石５２に電流を流し、磁性粒子２１を流路５４の壁面の一部に密着した状態で分散させることで流路５４を開放する。このように電流の制御で弁の開閉を行うことが可能という点で、電磁石の使用は好ましい。また、磁界の方向および強さを調整するために、複数の磁石を使用することも可能である。
【００３９】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００４０】
磁性粒子、流路およびチャンバーを有する流体チップを作製し、磁石を用いて、磁性粒子による弁の効果の確認を行った。
【００４１】
まず、前述した図２の流体チップを作製した。図６に製作した流体チップを示す。また、図７Ａから図７Ｄは製作した流体チップの写真であり、図８Ａから図８Ｄはそれらの一部を拡大した写真である。流体チップは以下の手順で作成した。すなわち、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）の一例であるダウコーニングアジア株式会社製シルポット（商標）を用い、本体溶液と重合液を９：１の割合で混合し、流路とチャンバーの対応する形状の凸部を有する型に流し入れて一昼夜室温で静置して硬化させ、流路３９〜４１（長さ１６、２５ｍｍ、幅６００μｍ、深さ６００μｍ）およびチャンバー３５〜３７（径φ１cｍ、深さ１.５ｍｍ、貫通開口部φ１ｍｍ）の形状に凹部分を有したチップを形成した。このチップの下部にポリスチレン製の樹脂板（厚さ１．５ｍｍ）を接着し、個々のチャンバー３５〜３７に空けられた孔３５ａ〜３７ａのみが上部に開口した流体チップ（全体の直径φ４cｍ、厚さ６ｍｍ）とした。
【００４２】
次に、チップ３４に含まれるチャンバー３５〜３７と流路３９〜４１に液体２４を充填した後、磁性粒子２１（ｍicroｍod Patikeltechnologie GｍbH社製、PLA-Particles-Ｍ、品番12-02-105、粒子直径１００μｍ）をチャンバー３５の開口部３５ａから導入した。また、流路３９の底壁を構成する樹脂板の下面側にネオジム磁石（φ４ｍｍ×５ｍｍ  円柱型、表面磁束密度  １０５ｍT）２３を配置し、樹脂板を隔てて作用するネオジム磁石２３の磁力によって磁性粒子２１を凝集させることで流路３９内に弁（閉弁状態）を形成した（図７Ａ及び図８Ａ）。ここで、チャンバー３６の開口部３６ａから色素溶液１２４（食紅水溶液）を加えてシリンジにより圧力をかけると、色素溶液１２４は第２の流路４０を通り、流路３９を塞ぐ前記閉弁状態の弁が存在する第１の流路３９を通過せず、第３の流路４１のみに流れ込んだ（図７Ｂ及び図８Ｂ）。また、さらにネオジム磁石２３を第１の流路３９の真下より５ｍｍ程度遠ざけると、第１の流路３９の壁面に磁性粒子２１が分散することで前記弁は開放状態となった。この状態でチャンバー３６に圧力をかけると色素溶液１２４は開放状態の前記弁を通過し、第１の流路３９およびチャンバー３５にも流れ込むことが確認された（図７Ｃ及び図８Ｃ）。これにより、磁性粒子が流路を閉塞している状態（閉弁状態）では液体の流れを遮断し、磁性粒子が流路の壁面に分散している状態（開弁状態）では、磁性粒子は液体に流されることなくその位置を維持したまま液体を通過させることが実証された。
【００４３】
加えて、色素溶液１２４がチャンバー３５〜３７と流路３９〜４１に充填された状態でネオジム磁石２３を第１の流路３９の真下から第３の流路４１の真下に移動させることで、磁性粒子２１を第３の流路４１に移動させて流路４１に弁を形成できた。すなわち、予め磁性粒子２１を設置していない部位での弁の形成が実証された。続いて、第３の流路４１に閉弁状態の弁が存在する状態で、第２のチャンバー３６の開口部３６ａから再び液体２４を供給してシリンジで圧力を加えると、液体２４は色素溶液１２４を押し流しながら第２の流路４０を通り、弁がある流路４１は通過せず、第１の流路３９にのみ流れ込んだ（図７Ｄ及び図８Ｄ）。これにより、磁性粒子２１による弁の形成は第２の流路４０もしくは第３の流路４１の任意の部位で可能であり、弁を形成する上で流路の部位は特に限定されないことが実証された。
【００４４】
このように、本発明の構成によれば、流体チップ内に予め弁を設置しなくとも、流路内に設置された磁性粒子を外部からの磁界を制御することによって、所望の流路に液体を流すことが可能である。
【実施例２】
【００４５】
実施例１と同様にして、図５に示す流体チップを作製した。具体的には、流体チップである液体支持体１１１の内部に、中央チャンバー１１０と、この中央チャンバー１１０よりも小型の第１、第２、第３、および第４チャンバー１１２，１１３，１１４，１１５を形成した。また、第１〜第４のチャンバー１１２〜１１５と中央チャンバー１１０とをそれぞれ連結する第１、第２、第３、および第４の流路１０２，１０３，１０４，１０５を形成した。さらに、第１から第４のチャンバー１１２〜１１５には、液体および磁性粒子２１を導入するための開口部（図示せず）を形成した。
【００４６】
バッファー溶液１１８を導入した後、磁性粒子２１を導入し、永久磁石２３を用いて磁性粒子２１を凝集させることで、中央チャンバー１１０からの第２の流路１０３の分岐１０３ａに弁（閉弁状態）を形成した。
【００４７】
次に、第１のチャンバー１１２から第１の流路１０２を通過させ、中央チャンバー１１０に液体２４を満たして、シリンジにより圧力を加えた。すると、分岐部１０３ａには磁性粒子２１が凝集して閉弁状態の弁を形成しているため、液体２４は第２の流路１０３には流れ込まず、分岐１０４ａ，１０５ａを通過して第３および第４の流路１０４，１０５に流れ込んだ。
【００４８】
さらに、前記弁を形成した磁性粒子２１を、永久磁石２３を用いて第３の流路１０４の分岐１０４ａに移動させ、この部位で新たに弁を形成した。その後、再び第１のチャンバー１１２からシリンジにより圧力を加えたところ、液体２４は第３の流路１０４には流れ込まずに第２および第４の流路１０３，１０５に流れ込んだ。さらにまた、永久磁石２３を用いて、開弁状態を維持したまま磁性粒子２１を中央チャンバー１１０に移動させることで、弁として使用しない場合には磁性粒子２１を分岐から除去することが可能であった。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明にかかる流体チップ、並びにそれを用いた流体移動制御方法および化学反応装置によれば、外部からの磁界の制御により、磁気粒子が可逆的に凝集もしくは分散することで弁やピストンとしての役割を果たし、液体を封じ込めたり、移動させたりすることができる。よって、本発明にかかる装置および方法は、微小流体制御等において有用であり、健康診断チップ等の種々の用途に応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１Ａ】本発明における、磁性粒子を利用した弁の開閉方法の原理を説明するための模式図（閉弁状態）。
【図１Ｂ】本発明における、磁性粒子を利用した弁の開閉方法の原理を説明するための模式図（開弁状態）。
【図２Ａ】図１ＡのII−II線での断面図。
【図２Ｂ】図１ＢのII−II線での断面図。
【図３】本発明における磁性粒子を集合させることにより弁を形成する化学反応装置を示す模式的な平面図。
【図４Ａ】図３の部分４５の拡大図（磁性粒子は凝集状態にある）。
【図４Ｂ】図３の部分４５の拡大図（磁性粒子は移動中である）。
【図４Ｃ】図２の部分４５の拡大図（磁性粒子は凝集状態にある）。
【図５Ａ】電磁石を用いた磁界発生装置の代案を示す模式的な部分平面図（閉弁状態）。
【図５Ｂ】図５Ａの側面図。
【図５Ｃ】電磁石を用いた磁界発生装置の代案を示す模式的な部分平面図（開弁状態）。
【図６】実施例１の化学反応装置を示す平面図。
【図７Ａ】実施例１の化学反応装置を示す写真（閉弁状態）。
【図７Ｂ】実施例１の化学反応装置を示す写真（閉弁状態で色素溶液を導入して液体を加圧）。
【図７Ｃ】実施例１の化学反応装置を示す写真（開弁状態で液体を加圧）。
【図７Ｄ】実施例１の化学反応装置を示す写真（磁性粒子の移動）。
【図８Ａ】図７Ａを部分的に拡大した写真。
【図８Ｂ】図７Ｂを部分的に拡大した写真。
【図８Ｃ】図７Ｃを部分的に拡大した写真。
【図８Ｄ】図７Ｄを部分的に拡大した写真。
【図９】実施例２の化学反応装置を示す模式的な平面図。
【図１０】従来の磁性流体を用いた流路切り替えを示す図。
【符号の説明】
【００５１】
４，５，６  流路
１０  導入口
１２  流出口
１３  集合部
Ｍ  磁性流体
２１  磁性粒子
２２，３９，４０，４１，５４，１０２，１０３，１０４，１０５  流路
２３  磁石
２４  液体
２５，３４  液体支持体
３５，３６，３７，１１２，１１３，１１４，１１５  チャンバー
１１０  中央チャンバー
５１，５２  電磁石
１０３ａ，１０４ａ，１０５ａ  分岐
１１０  中央チャンバー
１２５  色素溶液
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１Ａ】
2006085443.tif 000025
【図１Ｂ】
2006085443.tif 000026
【図２Ａ】
2006085443.tif 000027
【図２Ｂ】
2006085443.tif 000028
【図３】
2006085443.tif 000029
【図４Ａ】
2006085443.tif 000030
【図４Ｂ】
2006085443.tif 000031
【図４Ｃ】
2006085443.tif 000032
【図５Ａ】
2006085443.tif 000033
【図５Ｂ】
2006085443.tif 000034
【図５Ｃ】
2006085443.tif 000035
【図６】
2006085443.tif 000036
【図９】
2006085443.tif 000037
【図１０】
2006085443.tif 000038
【図７Ａ】
2006085443.tif 000039
【図７Ｂ】
2006085443.tif 000040
【図７Ｃ】
2006085443.tif 000041
【図７Ｄ】
2006085443.tif 000042
【図８Ａ】
2006085443.tif 000043
【図８Ｂ】
2006085443.tif 000044
【図８Ｃ】
2006085443.tif 000045
【図８Ｄ】
2006085443.tif 000046
【国際調査報告】
2006085443.tif 000047
2006085443.tif 000048
2006085443.tif 000049
2006085443.tif 000050