(57)【要約】  検体と試薬の混合液が増幅部に充填された状態で加熱して反応を増幅させることで得られる反応生成液の第２流路側の先頭部分が第３流路に送液されることを防止するための先頭液送液防止機構を備えることにより、均一な反応生成物を下流に送液することができ、かつ、小型化にも適したマイクロ総合分析チップおよびマイクロ総合分析システムを提供することができる。
2008044387.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検体と試薬との混合液を下流に送液するための第１流路と、
前記第１流路の下流に連通し、前記混合液の反応を増幅するための増幅部と、
前記増幅部の下流に連通し、前記増幅部で増幅して得られた反応生成液を下流に送液するための第２流路と、
前記第２流路の途中から分岐し、前記反応生成液を下流に送液するための第３流路とを備えたマイクロ総合分析チップにおいて、
前記第２流路および前記第３流路に、前記反応生成液の前記第２流路の側の先頭部分が前記第３流路に送液されることを防止するための先頭液送液防止機構を備えたことを特徴とするマイクロ総合分析チップ。
【請求項２】
前記先頭液送液防止機構は、前記反応生成液の前記第２流路の側の先頭部分を収容するための、前記第２流路に設けられた下流末端を備えたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のマイクロ総合分析チップ。
【請求項３】
前記先頭液送液防止機構は、前記第２流路の内部の圧力が所定値以上となった場合に前記第３流路へ前記反応生成液を送液するための、前記第３流路が前記第２流路から分岐する部分の近傍に設けられた送液制御部を備えたことを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載のマイクロ総合分析チップ。
【請求項４】
前記送液制御部は、前記第３流路が前記第２流路から分岐する部分の近傍の前記第３流路の側に設けられた、前記第３流路の断面積よりも小さい断面積を有する細流路からなることを特徴とする請求の範囲第３項に記載のマイクロ総合分析チップ。
【請求項５】
請求の範囲第１項乃至第４項の何れか１項に記載のマイクロ総合分析チップと、
前記検体と前記試薬との前記混合液を下流に送液するための送液装置と、
前記増幅部を選択的に加熱するための加熱部と、
前記反応生成液に含まれる標的物質を検出する検出部とを備えたことを特徴とするマイクロ総合分析システム。
【請求項６】
前記加熱部は、前記混合液が前記増幅部に充填された状態で前記増幅部を選択的に加熱することを特徴とする請求の範囲第５項に記載のマイクロ総合分析システム。
【請求項７】
前記加熱部は、前記混合液が前記第２流路の途中まで充填された状態で前記増幅部を選択的に加熱することを特徴とする請求の範囲第５項に記載のマイクロ総合分析システム。
【請求項８】
冷却部を備え、
前記加熱部は、前記混合液が前記第２流路の途中まで充填された状態で前記増幅部を選択的に加熱し、
前記冷却部は、前記加熱部が前記増幅部を加熱している間、少なくとも前記混合液の先頭部分を冷却することを特徴とする請求の範囲第５項乃至第７項の何れか１項に記載のマイクロ総合分析システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ総合分析チップおよびマイクロ総合分析システムに関し、特に、検体と試薬の混合液の反応を増幅部で加熱増幅させて反応生成物を得るマイクロ総合分析チップおよびマイクロ総合分析システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロマシン技術および超微細加工技術を駆使することにより、従来の試料調製、化学分析、化学合成などを行うための装置、手段（例えばポンプ、バルブ、流路、センサーなど）を微細化して１チップ上に集積化したマイクロ総合分析チップが開発されている（例えば、特許文献１参照）。また、マイクロ総合分析チップ上での送液のために好適なマイクロポンプシステムおよびその制御方法について、本件出願人はすでに何件かの提案を行っている（例えば、特許文献２乃至４参照）。【０００３】
マイクロ総合分析チップは、μ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍ）、バイオリアクタ、ラブ・オン・チップ（Ｌａｂ−ｏｎ−ｃｈｉｐｓ）、バイオチップとも呼ばれ、医療検査・診断分野、環境測定分野、農産製造分野でその応用が期待されている。現実には遺伝子検査に見られるように、煩雑な工程、熟練した手技、機器類の操作が必要とされる場合には、自動化、高速化および簡便化されたマイクロ化分析システムは、コスト、必要試料量、所要時間のみならず、時間および場所を選ばない分析を可能とすることによる恩恵は多大と言える。【０００４】
このようなマイクロ総合分析チップにおいて、検体と試薬とを反応させ、反応生成物を検査部位に送液して検出する操作を１つのチップで行えるように、一連の微細流路を該チップ内に形成する場合、検体および試薬の収容部、試薬の合流部、反応部、検査部およびこれらを連通する流路などからなる流路系および付随する機能エレメントを限られたスペースに密に集積化して配置する必要がある。【０００５】
一方、例えばＰＣＲ（ポリメラーゼ連鎖反応）法による増幅反応が例として挙げられるように、検体と試薬の混合液を反応させてＤＮＡ（ディオキシリボ核酸）の増幅を促進するためには、反応部位を構成する流路、必要であれば前処理を行う流路も所定温度に加熱する必要がある。【０００６】
また、ＩＣＡＮ（Ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ  ｃｈｉｍｅｒａ  ｐｒｉｍｅｒ  ｉｎｉｔｉａｔｅｄ  ｎｕｃｌｅｉｃ  ａｃｉｄ  ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法においても、ＰＣＲ法のような複雑な温度管理は必要ないが、ＤＮＡの増幅反応を促進するためには、混合液の温度を５０〜６５℃の任意の一定温度に保つ必要がある。ＩＣＡＮ法は、簡便な温度管理で済むために、マイクロ総合分析チップに好適な方法である。【０００７】
そこで、上述した特許文献１では、検体を収納した反応セルに流路を通して試薬を流入させ、反応セルを加熱して検体と試薬の反応を促進する方法が提案されている。【０００８】
また、毛細管状の流路と１つ以上の設定希望温度領域を有するフィルム状又は板状の微少ケミカルデバイスの表裏両外面に接する、設定希望温度±１０℃の温度範囲設定された１つ以上の温度調整ブロックを有する微少ケミカルデバイス用温度調節装置が提案されている（例えば、特許文献５参照）。
【特許文献１】特開２００４−２８５８９号公報
【特許文献２】特開２００１−３２２０９９号公報
【特許文献３】特開２００４−１０８２８５号公報
【特許文献４】特開２００４−２７０５３７号公報
【特許文献５】特開２００２−５８４７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１の方法では、反応セル中の検体に試薬を流入させるために反応セル中に試薬の濃度ムラが発生し、均一な反応が行われないという問題がある。【００１０】
また、特許文献５の方法では、毛細管状の流路に検体と試薬の混合物を送液しながら反応を起こさせるために非常に長い流路が必要となり、検査チップが非常に大きくなるという問題がある。さらに、送液しながら加熱を行うので、送液の最初の部分と中間部分とでは加熱状態が異なるために反応にムラがあり、均一な反応生成液が得られないという問題もある。【００１１】
また、特に前述したＩＣＡＮ法においては、検体と試薬との混合液を反応させてＤＮＡを増幅した後に、蛍光標識化や金コロイドとの反応等、光学的な検出を行うための各種処理を行う必要があり、そのためには、増幅反応で得られた均一な反応生成液を下流の各種処理部に送液する必要がある。【００１２】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、検体と試薬の混合液を反応させて得られる均一な反応生成物を下流に送液することができ、かつ、小型化に適したマイクロ総合分析チップおよびマイクロ総合分析システム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】
【００１３】
本発明の目的は、下記構成により達成することができる。【００１４】
１．検体と試薬との混合液を下流に送液するための第１流路と、
前記第１流路の下流に連通し、前記混合液の反応を増幅するための増幅部と、
前記増幅部の下流に連通し、前記増幅部で増幅して得られた反応生成液を下流に送液するための第２流路と、
前記第２流路の途中から分岐し、前記反応生成液を下流に送液するための第３流路とを備えたマイクロ総合分析チップにおいて、
前記第２流路および前記第３流路に、前記反応生成液の前記第２流路の側の先頭部分が前記第３流路に送液されることを防止するための先頭液送液防止機構を備えたことを特徴とするマイクロ総合分析チップ。【００１５】
２．前記先頭液送液防止機構は、前記反応生成液の前記第２流路の側の先頭部分を収容するための、前記第２流路に設けられた下流末端を備えたことを特徴とする１に記載のマイクロ総合分析チップ。【００１６】
３．前記先頭液送液防止機構は、前記第２流路の内部の圧力が所定値以上となった場合に前記第３流路へ前記反応生成液を送液するための、前記第３流路が前記第２流路から分岐する部分の近傍に設けられた送液制御部を備えたことを特徴とする１または２に記載のマイクロ総合分析チップ。【００１７】
４．前記送液制御部は、前記第３流路が前記第２流路から分岐する部分の近傍の前記第３流路の側に設けられた、前記第３流路の断面積よりも小さい断面積を有する細流路からなることを特徴とする３に記載のマイクロ総合分析チップ。【００１８】
５．１乃至４の何れか１項に記載のマイクロ総合分析チップと、
前記検体と前記試薬との前記混合液を下流に送液するための送液装置と、
前記増幅部を選択的に加熱するための加熱部と、
前記反応生成液に含まれる標的物質を検出する検出部とを備えたことを特徴とするマイクロ総合分析システム。【００１９】
６．前記加熱部は、前記混合液が前記増幅部に充填された状態で前記増幅部を選択的に加熱することを特徴とする５に記載のマイクロ総合分析システム。【００２０】
７．前記加熱部は、前記混合液が前記第２流路の途中まで充填された状態で前記増幅部を選択的に加熱することを特徴とする５に記載のマイクロ総合分析システム。【００２１】
８．冷却部を備え、
前記加熱部は、前記混合液が前記第２流路の途中まで充填された状態で前記増幅部を選択的に加熱し、
前記冷却部は、前記加熱部が前記増幅部を加熱している間、少なくとも前記混合液の先頭部分を冷却することを特徴とする５乃至７の何れか１項に記載のマイクロ総合分析システム。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、検体と試薬の混合液が増幅部に充填された状態で加熱して反応を増幅させることで得られる反応生成液の第２流路側の先頭部分が第３流路に送液されることを防止するための先頭液送液防止機構を備えることにより、均一な反応生成物を下流に送液することができ、かつ、小型化にも適したマイクロ総合分析チップおよびマイクロ総合分析システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】マイクロ総合分析システムの一例を示す模式図である。
【図２】検査チップの第１の実施の形態を示す模式図である。
【図３】検査チップの第１の実施の形態を示す図で、検体と試薬の混合液が増幅部まで送液された状態を示す模式図である。
【図４】検査チップの第１の実施の形態を示す図で、反応生成液が第３流路まで送液された状態を示す模式図である。
【図５】検査チップの第１の実施の形態の別例を示す図で、撥水バルブを用いない下流末端の一例を示す模式図である。
【図６】検査チップの第２の実施の形態を示す模式図である。
【図７】検査チップの第３の実施の形態を示す図で、検体と試薬の混合液が第２流路の途中まで送液された状態を示す模式図である。
【図８】検査チップの第３の実施の形態を示す図で、反応生成液が第３流路まで送液された状態を示す模式図である。
【図９】検査チップの第４の実施の形態を示す模式図である。
【図１０】マイクロポンプの構成例を示す模式図である。
【図１１】撥水バルブの構造と動作について説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  検査装置
１００  検査チップ
１０１  第１駆動液流路
１０３  下流末端
１０５  撥水バルブ
１０７  検体貯留部
１０９  撥水バルブ
１１１  第２駆動液流路
１１３  下流末端
１１５  撥水バルブ
１１７  試薬貯留部
１１９  撥水バルブ
１２１  合流部
１２３  第１流路
１３１  増幅部
１４１  第２流路
１４３  撥水バルブ
１４５  分岐部分
１５０  下流末端
１５１  第２流路末端
１５３  撥水バルブ
１５５  空気抜き穴
１５７  高抵抗部
１５９  収容部
１６１  第３流路
１６３  送液制御部１６３
１７０  先頭液送液防止機構
１９１  検体送液部
１９３  試薬送液部
２１０  マイクロポンプユニット
２１１  マイクロポンプ
２１３  チップ接続部
２１５  駆動液タンク
２１６  駆動液
２１７  駆動液供給部
２３０  加熱冷却ユニット
２３１  冷却部
２３３  加熱部
２５０  検出部
２５１  光源
２５３  受光素子
２５５  検出領域
２７０  駆動制御部
３０１  検体
３０３  試薬
３０５  混合液
３０７  反応生成液
３０９  先頭液
３１１  検体注入口
３１３  試薬注入口
４０１  上側基板
４０２  基板
４０３  振動板
４０４  圧電素子
４０５  加圧室
４０６  第１流路
４０７  第２流路
４０８  第１液室
４０９  第２液室
４７１  シリコン基板
４７２  ポート
４７３  ポート
４７４  基板
５０１  撥水バルブ
５１１  送液制御通路
５２１  上流側流路
５２３  下流側流路
５３１  流路壁
５４１  液体
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。なお、図中、同一あるいは同等の部分には同一の番号を付与し、重複する説明は省略する。【００２６】
まず、本発明におけるマイクロ総合分析システムについて、図１を用いて説明する。図１は、マイクロ総合分析システムの一例を示す模式図である。【００２７】
図１において、本発明におけるマイクロ総合分析システムである検査装置１は、本発明におけるマイクロ総合分析チップである検査チップ１００、検査チップ１００内の送液を行うマイクロポンプユニット２１０、検査チップ１００内の反応を促進および抑制するための加熱冷却ユニット２３０、検査チップ１００内の反応によって得られる生成液に含まれる標的物質を検出する検出部２５０、および検査装置１内の各部の駆動、制御、検出等を行う駆動制御部２７０等で構成される。ここに、マイクロポンプユニット２１０は、本発明における送液装置として機能する。送液装置としては、その他に空気圧によって送液を行う空気圧ポンプ等も用いることができる。【００２８】
マイクロポンプユニット２１０は、送液を行うマイクロポンプ２１１、マイクロポンプ２１１と検査チップ１００とを接続するチップ接続部２１３、送液のための駆動液２１６を供給する駆動液タンク２１５および駆動液タンク２１５からマイクロポンプ２１１に駆動液２１６を供給するための駆動液供給部２１７等で構成される。駆動液タンク２１５は、駆動液２１６の補充のために駆動液供給部２１７から取り外して交換可能である。マイクロポンプ２１１上には１個または複数のポンプが形成されており、複数の場合は、各々独立にあるいは連動して駆動可能である。【００２９】
加熱冷却ユニット２３０は、ペルチエ素子等で構成される冷却部２３１およびヒータ等で構成される加熱部２３３等で構成される。もちろん、加熱部２３３もペルチエ素子で構成してもよい。検出部２５０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザ等の光源２５１およびフォトダイオード（ＰＤ）等の受光素子２５３等で構成され、検査チップ１００内の反応によって得られる生成液に含まれる標的物質を、検査チップ１００上の検出領域２５５の位置で光学的に検出する。【００３０】
検査チップ１００は、一般に分析チップ、マイクロリアクタチップなどとも称されるものと同等であり、例えば、樹脂、ガラス、シリコン、セラミックスなどを材料とし、その上に、微細加工技術により幅および高さが数μｍ〜数百μｍのレベルの微細な流路を形成したものである。検査チップ１００のサイズは、通常、縦横が数十ｍｍ、高さが数ｍｍ程度である。【００３１】
検査チップ１００とマイクロポンプ２１１とはチップ接続部２１３で接続されて連通され、マイクロポンプ２１１が駆動されることにより、検査チップ１００内の複数の収容部に収容されている各種試薬や検体が、マイクロポンプ２１１からチップ接続部２１３を介して検査チップ１００に流入する駆動液２１６により送液される。【００３２】
次に、本発明における検査チップ１００の第１の実施の形態について、図２を用いて説明する。図２は、検査チップ１００の第１の実施の形態を示す模式図である。【００３３】
図２において、検査チップ１００は、図示しないマイクロポンプ２１１から送り込まれる駆動液２１６によって検体を送液する検体送液部１９１、図示しないマイクロポンプ２１１から送り込まれる駆動液２１６によって試薬を送液する試薬送液部１９３、検体と試薬を合流させる合流部１２１、検体と試薬を下流に送液しながら混合して混合液を生成する第１流路１２３、混合液を加熱して反応を増幅させて反応生成液を得るための増幅部１３１、増幅部１３１で得られた反応生成液を下流に送液するための第２流路１４１、第２流路１４１の途中から分岐し反応生成液を下流に送液するための第３流路１６１、および第２流路１４１および第３流路１６１に設けられ、反応生成液の第２流路１４１側の先頭部分が第３流路１６１に流れ込まないようにするための先頭液送液防止機構１７０等で構成される。増幅部１３１の上には混合液を加熱するための加熱部２３３が設けられている。【００３４】
検体送液部１９１は、図示しないマイクロポンプ２１１から送り込まれる駆動液２１６を送液するための第１駆動液流路１０１、第１駆動液流路１０１の末端に設けられ、第１駆動液流路１０１の空気を抜くための下流末端１０３、検体３０１を注入するための検体注入口３１１、検体注入口３１１から注入された検体３０１を貯留する検体貯留部１０７、第１駆動液流路１０１と検体貯留部１０７とを繋ぐ撥水バルブ１０５、および検体貯留部１０７と合流部１２１とを繋ぐ撥水バルブ１０９等で構成される。検体３０１は検体注入口３１１から検体貯留部１０７に予め充填され、充填後、検体注入口３１１は封止される。【００３５】
試薬送液部１９３も検体送液部１９１と同様に、図示しないマイクロポンプ２１１から送り込まれる駆動液２１６を送液するための第２駆動液流路１１１、第２駆動液流路１１１の末端に設けられ、第２駆動液流路１１１の空気を抜くための下流末端１１３、試薬３０３を注入するための試薬注入口３１３、試薬注入口３１３から注入された試薬３０３を貯留する試薬貯留部１１７、第２駆動液流路１１１と試薬貯留部１１７とを繋ぐ撥水バルブ１１５、および試薬貯留部１１７と合流部１２１とを繋ぐ撥水バルブ１１９等で構成される。試薬３０３は試薬注入口３１３から試薬貯留部１１７に予め充填され、充填後、試薬注入口３１３は封止される。【００３６】
ここに、撥水バルブとは、疎水性で、幅が狭まった細流路であり、液体を所定の圧力以下で送液した場合には、細流路の撥水力によって液の流れをその場で停止させることができるものである。上述した例では、マイクロポンプ２１１による送液に際して、撥水バルブ１０９と１１９とを介して検体と試薬を合流部１２１に導くことで、送液のタイミングを一致させることができ、正確な混合比で検体と試薬を混合することができる。【００３７】
先頭液送液防止機構１７０は、第２流路１４１と第３流路１６１の分岐部分に設けられた撥水バルブで構成される送液制御部１６３、第２流路末端１５１に設けられた下流末端１５０等で構成される。下流末端１５０は、第２流路末端１５１と第２流路末端１５１の下流に連通する撥水バルブ１５３および撥水バルブ１５３の下流に設けられた空気抜き穴１５５等で構成される。【００３８】
撥水バルブ１５３の送液圧力に対する耐圧（以下、メニスカス保持力と言う）は、流路幅を狭くする等により送液制御部１６３のメニスカス保持力よりも高く設定される。例えば、送液制御部１６３の流路幅を３０μｍとした場合に、撥水バルブ１５３の流路幅は１５μｍ以下が好ましい。【００３９】
第３流路１６１の下流には図示しない検査部が連通して設けられており、検査部で検出部２５０を用いて反応生成液に含まれる標的物質を検出する検査が行われる。【００４０】
続いて、図２に示した検査チップ１００の第１の実施の形態における送液動作について、図３および図４を用いて説明する。図３は、検体と試薬の混合液が増幅部１３１まで送液された状態、図４は、反応生成液が第３流路１６１まで送液された状態を示す模式図である。【００４１】
図３において、検体３０１および試薬３０３は、検体送液部１９１の撥水バルブ１０９および試薬送液部１９３の撥水バルブ１１９によってタイミングを合わせて合流部１２１に送液されて合流し、細い第１流路１２３を通ることにより混合されて混合液３０５として増幅部１３１に送液される。第１流路１２３は、検体３０１と試薬３０３とが完全に混合されるのに十分な幅、深さおよび長さを有する。混合液３０５は増幅部１３１と第２流路１４１との境界付近まで送液され、増幅部１３１に充填された状態で加熱部２３３により加熱されて反応生成液３０７が生成される。【００４２】
反応生成液３０７の第２流路側の先頭部分（以下、先頭液３０９と言う）は、加熱部２３３による加熱が不十分で反応が不足していたり、加熱により先端部が乾燥あるいは蒸発したりして、反応生成液３０７としては不適切な不純物部分である。【００４３】
図４において、上述した増幅部１３１で加熱されて生成された反応生成液３０７は、図示しないマイクロポンプ２１１により、先頭液３０９を先頭に第２流路１４１に送液される。第２流路１４１に送液された先頭液３０９が第２流路末端１５１に達すると、撥水バルブ１５３のメニスカス保持力によって先頭液３０９の流れが停止される。後続の反応生成液３０７は、撥水バルブ１５３と送液制御部１６３のメニスカス保持力の差から、送液制御部１６３を通って第３流路１６１に流れ込む。【００４４】
さらに、下流末端１５０の別例を図５を用いて説明する。図５は、撥水バルブ１５３を用いない下流末端１５０の一例を示す模式図である。【００４５】
図５において、第２流路末端１５１の下流に設けられた下流末端１５０は、少なくとも、流路が細長く流路抵抗が所定の値よりも高くなっている高抵抗部１５７で構成され、さらに望ましくは、高抵抗部１５７から僅かに漏れ出る液体を収容するための収容部１５９、および、収容部１５９に収容された液体がチップ外に溢れ出ないように収容部１５９の下流に設けられた撥水バルブと空気抜き穴からなる下流末端１５５等で構成されるのがよい。【００４６】
高抵抗部１５７に用いることができる流路抵抗の目安は、実際の検査チップ１００での送液圧力に対する液体の漏れ速度が、チップの主要流路の送液速度より十分に遅ければ良い。具体的には、検査チップ１００の主要流路では、駆動送液圧１０ｋＰａでおよそ５００ｎＬ／秒で送液されるのに対して、同じ圧力での高抵抗部１５７での漏れ速度は１０ｎＬ／秒しかない。このときの高抵抗部１５７の寸法は、幅１０μｍ、深さ２５μｍ、長さ１．５ｍｍ程度である。【００４７】
以上に述べたように、検査チップ１００の第１の実施の形態によれば、検体３０１と試薬３０３の混合液３０５が増幅部１３１に充填された状態で加熱部２３３で加熱されて反応が増幅されるために、反応のための長い流路を必要とせず、小型化に適している。また、第２流路１４１および第３流路１６１に、反応生成液３０７の不純物部分である先頭液３０９が第３流路１６１に送液されることを防止するための先頭液送液防止機構１７０を備えることで、先頭液３０９を第２流路末端１５１近傍に閉じ込め、反応生成液３０７だけを第３流路１６１およびその下流に連通する図示しない検査部に送液することができ、不純物を含まない反応生成液３０７だけを効率よく送液することができる。【００４８】
なお、上述した第１の実施の形態では、混合液３０５から反応生成液３０７を得るために、混合液３０５が増幅部１３１に充填された状態で加熱部２３３で加熱されて反応が増幅される、としたが、検体３０１と試薬３０３とを混合しただけで反応が進む場合や、反応のための時間を充分長く取ることができる場合には、必ずしも加熱を要しない。以下に述べる他の実施の形態においても同様である。【００４９】
次に、検査チップ１００の第２の実施の形態について、図６を用いて説明する。図６は、検査チップ１００の第２の実施の形態を示す図で、反応生成液３０７が第３流路１６１まで送液された状態を示す模式図である。【００５０】
図６においては、図２に示した送液制御部１６３が、第２流路１４１と第３流路１６１の分岐部分１４５の位置ではなく、分岐部分１４５から第３流路１６１に入った部分に配置されている。その他の構成については、図２の第１の実施の形態と同じである。【００５１】
本第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、検体３０１と試薬３０３の混合液３０５が増幅部１３１に充填された状態で加熱して反応を増幅させるために、反応のための長い流路を必要とせず、小型化に適している。さらに、送液制御部１６３を分岐部分１４５近傍と比べて流路密度が疎な部分に配置できるため、第１の実施の形態に比べて送液制御部１６３の微細加工の精度を出しやすいという利点がある。【００５２】
また、本第２の実施の形態においても、分岐部分１４５から送液制御部１６３までの容積が第２流路末端１５１部分の容積よりも十分に小さければ、先頭液３０９を第２流路末端１５１近傍に閉じ込め、反応生成液３０７だけを第３流路１６１およびその下流に連通する図示しない検査部に送液することができる。【００５３】
次に、検査チップ１００の第３の実施の形態について説明する。第１の実施の形態の説明で、先頭液３０９について、「加熱により先端部が乾燥あるいは蒸発したりして、反応生成液３０７としては不適切な不純物部分である」としたが、加熱時に先頭部が乾燥したり蒸発したりするのを防ぐためには、混合液３０５の先頭部を加熱部２３３よりも下流の位置まで送液し、先頭部の液体（先頭液３０９）が暖まらない状態で混合液３０５を加熱して増幅することが効果的である。【００５４】
しかし、この場合、先頭液３０９は反応が増幅されず混合液３０５のままであるため、先頭液３０９が第３流路の下流に連通する図示しない検査部に送液されると、検出に悪影響を及ぼす恐れがある。特に、マイクロ総合分析チップの場合は扱う流体容積が微小なので、僅かな量であっても影響が大きい。【００５５】
そこで、先頭液３０９を加熱せず、かつ先頭液３０９を第３流路１６１に送液しない検査チップ１００の第３の実施の形態について図７および図８を用いて説明する。図７は、検体と試薬の混合液が第２流路１４１の途中まで送液された状態、図８は、反応生成液３０７が第３流路１６１まで送液された状態を示す模式図である。【００５６】
図７において、図３と同様に、検体３０１および試薬３０３は、検体送液部１９１の撥水バルブ１０９および試薬送液部１９３の撥水バルブ１１９によってタイミングを合わせて合流部１２１に送液されて混合され、混合液３０５として第１流路１２３を通って増幅部１３１に送液される。混合液３０５の先端は第２流路１４１の途中まで送液される。第２流路１４１の途中には撥水バルブ１４３が設けられ、撥水バルブ１４３のメニスカス保持力によって液の流れがその場で止まることを利用して、混合液３０５の先端の正確な位置決めが行われる。【００５７】
混合液３０５は、増幅部１３１に充填された状態で加熱部２３３により加熱されて反応生成液３０７となる。この時、増幅部１３１だけを選択的に加熱し、前後の流路は加熱しないようにする。特に、第２流路の先頭液３０９部分は、乾燥、蒸発を避けるために４０℃以下、好ましくは３０℃以下になるように、例えば冷却部２３１等で強制冷却、あるいは、増幅部１３１を加熱する加熱部２３３からできるだけ離す等により自然冷却される。【００５８】
図８において、上述した増幅部１３１で加熱されて生成された反応生成液３０７は、図示しないマイクロポンプ２１１により、撥水バルブ１４３のメニスカス保持力を超える圧力で、先頭液３０９を先頭に第２流路１４１の後半部に送液される。以後は、図４と同様に、第２流路１４１の後半部に送液された先頭液３０９が第２流路末端１５１に達すると、撥水バルブ１５３のメニスカス保持力によって先頭液３０９の流れが停止される。後続の反応生成液３０７は、撥水バルブ１５３と送液制御部１６３のメニスカス保持力の差から、送液制御部１６３を通って第３流路１６１に流れ込む。【００５９】
なお、第２流路の末端に設けられた下流末端１５０には、図５に示した高抵抗部１５７、高抵抗部１５７から僅かに漏れ出る液体を収容するための収容部１５９および収容部１５９に収容された液体がチップ外に溢れ出ないように収容部１５９の下流に設けられた撥水バルブと空気抜き穴からなる下流末端１５５等で構成される下流末端を用いてもよい。【００６０】
以上に述べたように、検査チップ１００の第３の実施の形態によれば、第１および第２の実施の形態と同様に、検体３０１と試薬３０３の混合液３０５が増幅部１３１に充填された状態で加熱して反応を増幅させるために、反応のための長い流路を必要とせず、小型化に適している。さらに、混合液３０５の先端を第２流路１４１の途中まで送液し、かつ増幅部１３１の加熱時に混合液３０５の先端を冷却することで、先頭液３０９の乾燥、蒸発を防止することができる。【００６１】
また、第２流路１４１および第３流路１６１に、先頭液３０９が第３流路１６１に送液されることを防止するための先頭液送液防止機構１７０を備えることで、未反応の先頭液３０９を第２流路末端１５１近傍に閉じ込め、反応生成液３０７だけを第３流路１６１およびその下流に連通する図示しない検査部に送液することができ、未反応の混合液３０５を含まない反応生成液３０７だけを効率よく送液することができる。【００６２】
続いて、検査チップ１００の第４の実施の形態について、図９を用いて説明する。図９は、検査チップ１００の第４の実施の形態を示す模式図である。【００６３】
図９においては、図６と同様に送液制御部１６３が、第２流路１４１と第３流路１６１の分岐部分１４５の位置ではなく、分岐部分１４５から第３流路１６１に入った部分に配置されている。また、本実施の形態においては、図７および図８に示したように、第２流路の先頭液３０９部分を、例えば冷却部２３１等で冷却するだけでなく、第１流路１２３内にある未反応の混合液３０５が、増幅部１３１での加熱によって部分的に反応を起こしたり変質したりすることを防止するために、第１流路１２３の増幅部１３１近傍の部分も冷却部２３１等で冷却する。その他の構成については、図７および図８の第３の実施の形態と同じである。【００６４】
本第４の実施の形態によれば、第１乃至第３の実施の形態と同様に、検体３０１と試薬３０３の混合液３０５が増幅部１３１に充填された状態で加熱して反応を増幅させるために、反応のための長い流路を必要とせず、小型化に適している。さらに、送液制御部１６３を分岐部分１４５近傍と比べて流路密度が疎な部分に配置できるため、送液制御部１６３微細加工の精度を出しやすいという利点がある。【００６５】
本第４の実施の形態においても、分岐部分１４５から送液制御部１６３までの容積が第２流路末端１５１部分の容積よりも十分に小さければ、先頭液３０９を第２流路末端１５１近傍に閉じ込め、反応生成液３０７だけを第３流路１６１およびその下流に連通する図示しない検査部に送液することができる。【００６６】
さらに、第１流路１２３の増幅部１３１近傍の部分を冷却することで、第１流路１２３内にある未反応の混合液３０５が、増幅部１３１での加熱によって部分的に反応を起こしたり変質したりすることを防止することができる。【００６７】
次に、上述した第１乃至第４の実施の形態に用いられるマイクロポンプ２１１の一例について、図１０を用いて説明する。マイクロポンプ２１１は、アクチュエータを設けた弁室の流出入孔に逆止弁を設けた逆止弁型のポンプなど各種のものが使用できるが、ピエゾポンプを用いることが好適である。図１０は、マイクロポンプ２１１の構成例を示す模式図で、図１０（ａ）はピエゾポンプの一例を示した断面図、図１０（ｂ）はその上面図、図１０（ｃ）はピエゾポンプの他の例を示した断面図である。【００６８】
図１０（ａ）および（ｂ）において、マイクロポンプ２１１は、第１液室４０８、第１流路４０６、加圧室４０５、第２流路４０７および第２液室４０９が形成された基板４０２、基板４０２上に積層された上側基板４０１、上側基板４０１上に積層された振動板４０３、振動板４０３の加圧室４０５と対向する側に積層された圧電素子４０４と、圧電素子４０４を駆動するための図示しない駆動部とが設けられている。駆動部と圧電素子４０４の両面上の２つの電極とは、フレキシブルケーブル等による配線で接続されており、該配線を通じて駆動部の駆動回路により圧電素子４０４に駆動電圧を印加する構成となっている。【００６９】
一例として、基板４０２として、厚さ５００μｍの感光性ガラス基板を用い、深さ１００μｍに達するまでエッチングを行なうことにより、第１液室４０８、第１流路４０６、加圧室４０５、第２流路４０７および第２液室４０９を形成している。第１流路４０６は幅を２５μｍ、長さを２０μｍとしている。また、第２流路４０７は幅を２５μｍ、長さを１５０μｍとしている。【００７０】
ガラス基板である上側基板４０１を基板４０２上に積層することにより、第１液室４０８、第１流路４０６、第２液室４０９および第２流路４０７の上面が形成される。上側基板４０１の加圧室４０５の上面に当たる部分は、エッチングなどにより加工されて貫通している。【００７１】
上側基板４０１の上面には、厚さ５０μｍの薄板ガラスからなる振動板４０３が積層され、その上に、例えば厚さ５０μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックス等からなる圧電素子４０４が積層され貼付されている。駆動部からの駆動電圧により、圧電素子４０４とこれに貼付された振動板４０３が振動し、これにより加圧室４０５の体積が増減する。【００７２】
第１流路４０６と第２流路４０７とは、幅および深さが同じで、長さが第１流路４０６よりも第２流路４０７の方が長くなっており、第１流路４０６では、差圧が大きくなると流路の出入り口およびその周辺で乱流が発生し、流路抵抗が増加する。一方、第２流路４０７では流路の長さが長いので差圧が大きくなっても層流になり易く、第１流路４０６に比べて差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合が小さくなる。すなわち、差圧の大小によって第１流路４０６と第２流路４０７との液体の流れ易さの関係が変化する。これを利用して、圧電素子４０４に対する駆動電圧波形を制御して送液を行っている。【００７３】
例えば、圧電素子４０４に対する駆動電圧により、加圧室４０５の内方向へ素早く振動板４０３を変位させて、大きい差圧を与えながら加圧室４０５の体積を減少させ、次いで加圧室４０５から外方向へゆっくり振動板４０３を変位させて、小さい差圧を与えながら加圧室４０５の体積を増加させると、流体は加圧室４０５から第２液室４０９の方向（図１０（ａ）のＢ方向）へ送液される。【００７４】
逆に、加圧室４０５の外方向へ素早く振動板４０３を変位させて、大きい差圧を与えながら加圧室４０５の体積を増加させ、次いで加圧室４０５から内方向へゆっくり振動板４０３を変位させて、小さい差圧を与えながら加圧室４０５の体積を減少させると、流体は加圧室４０５から第１液室４０８の方向（図１０（ａ）のＡ方向）へ送液される。【００７５】
なお、第１流路４０６と第２流路４０７における差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合の相違は、必ずしも流路の長さの違いによる必要はなく、他の形状的な相違に基づくものであってもよい。【００７６】
上記のように構成されたマイクロポンプ２１１によれば、ポンプの駆動電圧および周波数を変えることによって、所望する流体の送液方向、送液速度を制御できるようになっている。図１０（ａ）（ｂ）には図示されていないが、第１液室４０８には駆動液タンク２１５につながるポートが設けられており、第１液室４０８は「リザーバ」の役割を演じ、ポートで駆動液タンク２１５から駆動液の供給を受けている。第２液室４０９はマイクロポンプユニット２１０の流路を形成し、その先にチップ接続部２１３があり、検査チップと繋がる。【００７７】
図１０（ｃ）において、マイクロポンプ２１１は、シリコン基板４７１、圧電素子４０４、基板４７４および図示しないフレキシブル配線で構成される。シリコン基板４７１は、シリコンウエハをフォトリソグラフィ技術により所定の形状に加工したものであり、エッチングにより加圧室４０５、ダイヤフラム４０３、第１流路４０６、第１液室４０８、第２流路４０７、および第２液室４０９が形成されている。【００７８】
基板４７４には、第１液室４０８の上部にポート４７２が、第２液室４０９の上部にポート４７３がそれぞれ設けられており、例えばこのマイクロポンプ２１１を検査チップ１００と別体とする場合には、ポート４７３を介して検査チップ１００のポンプ接続部と連通させることができる。例えば、ポート４７２、４７３が穿孔された基板４７４と、検査チップ１００のポンプ接続部近傍とを上下に重ね合わせることによって、マイクロポンプ２１１を検査チップ１００に接続することができる。【００７９】
また、上述したように、マイクロポンプ２１１は、シリコンウエハをフォトリソグラフィ技術により所定の形状に加工したものであるため、１枚のシリコン基板上に複数のマイクロポンプ２１１を形成することも可能である。この場合、検査チップ１００と接続するポート４７３の反対側のポート４７２には、駆動液タンク２１５が接続されていることが望ましい。マイクロポンプ２１１が複数個ある場合、それらのポート４７２は、共通の駆動液タンク２１５に接続されていてもよい。【００８０】
上述したマイクロポンプ２１１は、小型で、マイクロポンプ２１１から検査チップ１００までの配管等によるデッドボリュームが小さく、圧力変動が少ないうえに瞬時に正確な吐出圧力制御が可能なことから、駆動制御部２７０での正確な送液制御が可能である。【００８１】
ここで、撥水バルブの構造と動作について、図１１を用いて説明する。図１１は、撥水バルブの構造と動作について説明するための模式図で、図１１（ａ）は液体の送液が撥水バルブで遮断されている状態を、図１１（ｂ）は撥水バルブを越えて送液されている状態を示す。【００８２】
図１１（ａ）において、撥水バルブ５０１は、細径の送液制御通路５１１で構成されている。送液制御通路５１１とは、その断面積Ｓ１（送液方向に対して垂直な断面の断面積）が、上流側流路５２１の断面積Ｓ２および下流側流路５２３の断面積Ｓ３よりも小さい細流路である。【００８３】
流路壁５３１がプラスチック樹脂などの疎水性の材質で形成されている場合には、上流側流路５２１内に充填された液体５４１は送液制御通路５１１内に流入し、送液制御通路５１１と下流側流路５２３との境界部の流路壁５３１ａとの表面張力の差によって、下流側流路５２３へ通過することが規制される。【００８４】
図１１（ｂ）において、下流側流路５２３へ液体５４１を流出させる際には、マイクロポンプ（図示せず）によって所定圧力以上の送液圧力Ｐを加え、これによって表面張力に抗して液体５４１を送液制御通路５１１から下流側流路５２３へ押し出す。液体５４１が下流側流路５２３へ流出した後は、液体５４１の先端部を下流側流路５２３へ押し出すのに要した送液圧力Ｐを維持せずとも、液体５４１が下流側流路５２３へ流れていく。【００８５】
すなわち、上流側流路５２１から下流側流路５２３への正方向への送液圧力が、所定圧力Ｐに達するまでは送液制御通路５１１から先への液体５４１の通過が遮断され、所定圧力Ｐ以上の送液圧力が加わることにより、液体５４１は送液制御通路５１１を通過する。【００８６】
流路壁５３１がガラスなどの親水性の材質で形成されている場合には、少なくとも送液制御通路５１１の内面に撥水性のコーティング、例えばフッ素系のコーティングを施す必要がある。【００８７】
上述したように、上流側流路５２１および下流側流路５２３と送液制御通路５１１のサイズとは、上流側流路５２１および下流側流路５２３への液体５４１の通過を規制できれば特に限定されないが、一例として、縦横が１５０μｍ×３００μｍの上流側流路５２１および下流側流路５２３に対して、縦横が２５μｍ×２５μｍ程度となるように送液制御通路５１１が形成される。【００８８】
以上に述べたように、本発明によれば、検体と試薬の混合液が増幅部に充填された状態で加熱して反応を増幅させることで得られる反応生成液の第２流路側の先頭部分が第３流路に送液されることを防止するための先頭液送液防止機構を備えることにより、均一な反応生成物を下流に送液することができ、かつ、小型化にも適したマイクロ総合分析チップおよびマイクロ総合分析システムを提供することができる。【００８９】
尚、本発明に係るマイクロ総合分析チップおよびマイクロ総合分析システムを構成する各構成の細部構成および細部動作に関しては、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。
【図１】
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【図１１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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