(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に対して予め定められた処理を行うマイクロチップの流体制御機構であって、
試料を充填するための試料部と、
前記試料を混合反応させるための第１及び第２の反応部と、
前記試料又は気体を廃棄するための廃棄部と、
前記試料部と前記第１の反応部を連接する第１の流路と、
前記第１の反応部と前記第２の反応部を連接する第２の流路と、
前記第１の反応部と前記廃棄部を連接する第３の流路と、を備え、
前記第１及び第２の流路は、前記試料部、前記第１及び前記第２の反応部の下方に設け、
前記第３の流路は前記第１の反応部と前記廃棄部の上方に設けることを特徴とするマイクロチップの流体制御機構。
【請求項２】
請求項１記載のマイクロチップの流体制御機構において、
前記第３の流路を制御する流路制御部を備え、
前記流路制御部は、
前記第１の流路を通して試料を移送する際には、前記第３の流路を開け、
前記第２の流路を通して試料を移送する際には、前記第３の流路を閉じることを特徴とするマイクロチップの流体制御機構。
【請求項３】
請求項１又は２記載のマイクロチップの流体制御機構において、
前記試料を加圧し移送する加圧手段を備え、
前記加圧手段は、前記試料部の上部に設けられた開放口から圧縮気体を加圧供給し、試料を前記反応部へ移送することを特徴とするマイクロチップの流体制御機構。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一つに記載のマイクロチップの流体制御機構において、
前記第３の流路又は前記廃棄部の少なくとも一方にフィルタを設けたことを特徴とするマイクロチップの流体制御機構。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一つに記載のマイクロチップの流体制御機構において、
前記廃棄部の内部を負圧する負圧発生手段を備えることを特徴とするマイクロチップの流体制御機構。
【請求項６】
試料に対して予め定められた処理を行うマイクロチップの流体制御方法であって、
試料部に試料を充填し、
第１及び第２の反応部で前記試料を混合反応させ、
廃棄部で前記試料又は気体を廃棄し、
第１の流路により前記試料部と前記第１の反応部を連接し、
第２の流路により前記第１の反応部と前記第２の反応部を連接し、
第３の流路により前記第１の反応部と前記廃棄部を連接し、
前記第１及び第２の流路を、前記試料部、前記第１及び前記第２の反応部の下方に設け、
前記第３の流路を、前記第１の反応部と前記廃棄部の上方に設けることを特徴とするマイクロチップの流体制御方法。
【請求項７】
請求項６記載のマイクロチップの流体制御方法において、
流路制御部により前記第３の流路を制御し、
前記流路制御部は、
前記第１の流路を通して試料を移送する際には、前記第３の流路を開け、
前記第２の流路を通して試料を移送する際には、前記第３の流路を閉じることを特徴とするマイクロチップの流体制御方法。
【請求項８】
請求項６又は７記載のマイクロチップの流体制御方法において、
加圧手段により前記試料を加圧して移送し、
前記加圧手段は、前記試料部の上部に設けられた開放口から圧縮気体を加圧供給し、前記試料を前記反応部へ移送することを特徴とするマイクロチップの流体制御方法。
【請求項９】
請求項６乃至８のいずれか一つに記載のマイクロチップの流体制御方法において、
前記第３の流路又は前記廃棄部の少なくとも一方にフィルタを設けたことを特徴とするマイクロチップの流体制御方法。
【請求項１０】
請求項６乃至９のいずれか一つに記載のマイクロチップの流体制御方法において、
負圧発生手段により前記廃棄部の内部を負圧することを特徴とするマイクロチップの流体制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロチップの流体制御機構及び流体制御方法に関し、特に、化学試料の反応・混合・分離・分析や、遺伝子分析等に用いられる複数の反応槽及び試料槽を有し、さらに反応槽及び試料槽間を微細な流路で接続したマイクロ分析用チップに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、庄子習一「生化学マイクロ化学分析システムマイクロマシン技術」(非特許文献１)や特開２００２−２１４２４１号(特許文献１)に記載されているように、マイクロリアクタ、マイクロアレイ及び「Lab on a chip」と称される一枚の微細なチップ上で、サンプルや液体試料を反応させ、遺伝子分析を行う研究が数多くなされ、微量な液体試料を順次移送する機構や制御する機構が研究されている。
【０００３】
非特許文献１は、「２．マイクロ機械素子を用いたμTAS」として、一枚の基盤上に「試料導入機構やキャリア溶液、サンプル流れを制御するポンプ及び試薬との混合/反応器、成分分離部及びセンサ部」から成る構成を開示している。この非特許文献１には、「しかし、総合的な実用例はまだ少なく、マイクロバルブやマイクロポンプなどのマイクロ流体制御素子が実用上重要な研究課題」と示されている。
【０００４】
さらに、非特許文献１には、基盤上に移送手段であるマイクロポンプやサンプルインジェクションなど多くの複雑な移送手段が一枚の基盤上に搭載される構成が開示されている。
【０００５】
また、上記特許文献１には、「流路２１，２３にはマイクロポンプ３０が組み込まれ」（段落番号「００３９」参照）と記載されており、マイクロチップ内に移送手段が設けられている。
【０００６】
また、別の従来技術として、特開２００４−２２６２０７号（特許文献２）がある。特許文献２には、ダイアフラムを用いた移送機構が開示されている。具体的には、可能な弾性を有する隔壁で構成されていると共に、隔壁の外面に接するダイアフラム部材と、ダイアフラム部材を駆動する非圧縮性媒質が使用されている。そして、特許文献２では、「非圧縮性媒質」の密閉容器の体積変化を正確にコントロールし、その体積変化がダイアフラム部材を駆動し、液体の流量を制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２１４２４１号公報
【特許文献２】特開２００４−２２６２０７号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】庄子習一「生化学  マイクロ化学分析システム  マイクロマシン技術」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、非特許文献１及び特許文献１に示されている従来技術は、試料の移送手段をマイクロチップ内又はマイクロチップ上に設けており、連続して行われる遺伝子分析の際、相互汚染を防止するために入念な洗浄工程が必要とされる。さらに、マイクロチップが大型化し、高価になっていた。この相互汚染を防止するためには、使い捨てのマイクロチップが望まれていた。
【００１０】
また、特許文献２に示されている従来技術は、非圧縮性媒質の使用が必須であり圧縮性媒質は使用できない。
【００１１】
そこで、本発明は上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、移送手段をマイクロチップと独立して設けることにより、チップは高機能化せず安価な使い捨てとすることが可能となり、装置は小型・軽量化、高速化、低消費電力化、回路・装置構成簡易化、低価格、信頼性および操作性の向上が達成可能なマイクロチップの流体制御機構を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的をするために、本発明は、試料に対して予め定められた処理を行うマイクロチップの流体制御機構であって、
試料を充填するための試料部と、
前記試料を混合反応させるための第１及び第２の反応部と、
前記試料又は気体を廃棄するための廃棄部と、
前記試料部と前記第１の反応部を連接する第１の流路と、
前記第１の反応部と前記第２の反応部を連接する第２の流路と、
前記第１の反応部と前記廃棄部を連接する第３の流路と、を備え、
前記第１及び第２の流路は、前記試料部、前記第１及び前記第２の反応部の下方に設け、
前記第３の流路は前記第１の反応部と前記廃棄部の上方に設けることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、試料に対して予め定められた処理を行うマイクロチップの流体制御方法であって、
試料部に試料を充填し、
第１及び第２の反応部で前記試料を混合反応させ、
廃棄部で前記試料又は気体を廃棄し、
第１の流路により前記試料部と前記第１の反応部を連接し、
第２の流路により前記第１の反応部と前記第２の反応部を連接し、
第３の流路により前記第１の反応部と前記廃棄部を連接し、
前記第１及び第２の流路を、前記試料部、前記第１及び前記第２の反応部の下方に設け、
前記第３の流路を、前記第１の反応部と前記廃棄部の上方に設けることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、従来マイクロチップ内に設けられていたバルブ機構を廃止し、簡易な流路構成とすることにより、使い捨てが可能でありかつ安価なマイクロチップを供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるマイクロチップの移送機構構成を示す断面斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態におけるマイクロチップの移送機構構成を示す断面である。
【図３】本発明の第１の実施の形態におけるマイクロチップの初期状態を示す断面斜視図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態におけるマイクロチップの動作状態を示す断面斜視図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態におけるマイクロチップの動作状態を示す断面斜視図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態におけるマイクロチップの動作状態を示す断面斜視図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態におけるマイクロチップの動作状態を示す断面斜視図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態におけるマイクロチップの動作状態を示す断面斜視図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態におけるマイクロチップの動作状態を示す断面斜視図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態におけるマイクロチップの動作状態を示す断面斜視図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態におけるマイクロチップの動作状態を示す断面斜視図である。
【図１２】本発明の他の実施形態を示す斜視図である。
【図１３】本発明の他の実施形態を示す斜視図である。
【図１４】本発明の他の実施形態を示す斜視図である。
【図１５】本発明の他の実施形態の動作状態を示す断面図である。
【図１６】本発明の他の実施形態の動作状態を示す断面図である。
【図１７】本発明の第１の実施の形態におけるマイクロチップの動作状態を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
最初に、本発明の第１の実施の形態を詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロチップを使用し、化学試料を反応させる装置の構成を示す断面斜視図である。
【００１８】
機枠１にはテーブル３が支柱２を介し設けられ、さらにテーブル３にはOリング６ａ、６ｂ、６ｃに周囲をシールされた廃棄穴５a、５ｂ、５ｃ、チューブ７ａ、７ｂ、７ｃが設けられている。また、廃棄穴５ａ、５ｂ、５ｃは、廃棄電磁弁１８ａ、１８ｂ、１８ｃを介し機枠１上に設けられた廃棄槽８に接続されている。また、テーブル３の上面にはマイクロチップ５０を所定の位置に案内するためのピン１０ａ、１０ｂが凸状に設置されている。また、テーブル３にはヒンジ９を介し、締結ネジ２５と周囲をOリング２６でシールされ貫通した加圧穴２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆを有するカバー２０が、A及びＢ方向に回動可能に設けられている。さらに、テーブル３上の一端には該締結ネジ２５と一致する位置にネジ穴４が設けられている。
【００１９】
一方、マイクロチップ５０は板状をなし、複数の試料を混合するための反応槽５１ａ、５１ｂ、５１ｃと反応試料を充填する試料槽５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２e、52ｆ、が設けられると共に、反応槽５１ａ、５１ｂ、５１ｃからオーバフローした試料を廃棄するための廃棄穴５３ａ、５３ｂ、５３ｃが流路５６で連接されている。また、マイクロチップ５０の両端にはテーブル３に搭載する際の位置を案内するためのピン穴５５ａ、５５ｂが空けられている。
【００２０】
さらに、カバー２０を貫通する状態で設けられた加圧穴２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆは、チューブ１７ｃ、１７ｄ、１７ｅ、１７ｆにより加圧電磁弁１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆの二次側に導接されている。また。加圧電磁弁１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、６ｆの一次側は蓄圧器１１に接続されている。さらに、蓄圧器１１にはモータ１３により駆動されるポンプ１２と内部圧力を検出する圧力センサ１４が接続されている。
【００２１】
一方、あらかじめ設定されたプログラムを実行するコントローラ１５には加圧電磁弁１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆおよび廃棄電磁弁１８ａ、１８ｂ、１８ｃが動作制御可能に接続されている。さらに、コントローラ１５には、蓄圧器１１内の圧力を所定圧に制御可能なようにポンプ１２を駆動するモータ１３及び蓄圧器１１内の圧力を検出しフィードバックを行う圧力センサ １４が接続されている。以上の構成によりコントローラ１５からの指令により、蓄圧器１１内の圧力は常に所定の圧力に保たれている。
【００２２】
図２はマイクロチップ５０の詳細を示す斜視図である。
【００２３】
マイクロチップ５０はメインプレート５０ａ、下面プレート５０ｂおよび上面プレート５０ｃからなる三層構成をなし、メインプレート５０ａおよび上面プレート５０ｃを貫通し、容器形状をなす試料槽５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅ、５２ｆを有する。さらに、メインプレート５０ａを貫通し、下面プレート５０ｂおよび上面プレート５０ｃにより封じられた容器穴形状をなす反応槽５１ａ、５１ｂ、５１ｃおよびメインプレート５０ａ、下面プレート５０ｂを貫通した廃棄口５３ａ、５３ｂ、５３ｃを有する。また、試料槽５２ａ、５２ｂと反応槽５１ａは、メインプレート５０ａの下面プレート５０ｂ側に設けた微細な流路５６ａ、５６ｂ、５６ｇにより連接されている。また、廃棄口５３ａと反応槽５１ａはメインプレート５０ａの上面プレート５０ｃ側に設けられた微細な流路５６ｊで連接されている。さらに、廃棄口５３ａ、５３ｂ、５３ｃの上端部にはフィルタ５８ａ、５８ｂ、５８ｃが流通する液体を透過可能に設けられている。
【００２４】
さらには、反応槽５１ａ、５１ｂと試料槽５２ｃ、５２ｄはメインプレート５０ａの下面プレート５０ｂ側の流路５６ｈ、５６ｃ、５６ｄにより連接され、廃棄口５３ｂと反応槽５１ｂはメインプレート５０ａの上面プレート５０ｃ側の流路５６ｋにて連接されている。
【００２５】
さらには、反応槽５１ｂ、５１ｃと試料槽５２ｅ、５２ｆはメインプレート５０ａの下面プレート５０ｂ側の流路５６ｉ、５６ｅ、５６ｆにより連接され、廃棄口５３ｃと反応槽５１ｃはメインプレート５０ａの上面プレート５０ｃ側の流路５６ｌにて連接されている。
【００２６】
一方、マイクロチップ５０の端面には、搭載する際の案内手段としてメインプレート５０ａ、下面プレート５０ｂ、上面プレート５０ｃを貫通するピン穴５５ａ、５５ｂが設けられている。
【００２７】
さらに、試料槽５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅ、５２ｆには予め所定の試料５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄ、５７ｅ、５７ｆが所定量充填される。一般的には、試料５７ａは解析されるべき遺伝子等の化学試料を含むサンプル液とし、試料５７ｂ、５７ｃ、５７ｄ、５７ｅ、５７ｆはサンプルの試料５７ａを順次反応させ特定の遺伝子を抽出するための試料液となる。その際、試料５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅ、５２ｆは表面張力により流出出来ない充分微細な流路５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ、５６ｅ、５６ｆに移送され漏れ出すことは無い。
【００２８】
次に、本発明の第１の実施の形態の動作を図１から図１１及び図１７を用いて説明する。
【００２９】
第１段階の動作を図１に示す（図１７のステップ１７０１）。
【００３０】
テーブル３上にマイクロチップ５０をピン１０ａ、１０ｂにピン穴５５ａ、５５ｂに挿入し搭載する。さらに、カバー２０をＢ方向に回動し、締結ネジ２５を ネジ穴４に係合し締結する。その際には、マイクロチップ５０上の試料槽５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅ、５２ｆとカバー２０上の加圧穴２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆはOリング２６でシールされると共に合致した位置を成す。また、廃棄口５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ、５３ｅ、５３ｆはOリング６ａ、６ｂ、６ｃによりテーブル３上でシールされると共に、廃棄穴５ａ、５ｂ、５ｃと合致した位置に固定される。
【００３１】
第２段階の動作を図３に示す（図１７のステップ１７０１）。
【００３２】
図３はマイクロチップ５０がテーブル３上に搭載された初期状態を示す。加圧電磁弁１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆは無励磁の状態であり、図１で示す蓄圧器１１内の圧力を遮断している。さらに廃棄電磁弁１８ａ、１８ｂ、１８ｃも無励磁の状態であり、廃棄口５３ａ、５３ｂ、５３ｃから廃棄槽８への回路のチューブ７ａ、７ｂ、７ｃを遮断している。また、試料槽５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅ、５２ｆには、試料５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄ、５７ｅ、５７ｄが充填されていると共に、反応槽５１ａ、５１ｂ、５１ｃは空の状態である。
【００３３】
第３段階の動作を図４に示す（図１７のステップ１７０２、１７０３）。
【００３４】
加圧電磁弁１６ａ及び廃棄電磁弁１８ａを励磁 させると、図１で示す蓄圧器１１の圧力が加圧電磁弁１６ａ、チューブ１７ａを介して加圧穴２２ａへ導かれる。一方、加圧穴２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆは加圧電磁弁１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆが無励磁のため回路構成をなすチューブ１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅ、１７ｆが遮断されている。さらに、廃棄電磁弁１８ｂ、１８ｃが無励磁で回路構成をなすチューブ７ｂ、７ｃが遮断されている。回路構成を成すチューブ７ａが廃棄槽８に開放されている唯一の回路となるため、試料槽５２ａ内の試料５７ａは流路５６ａ、５６ｇを介し、反応槽５１ａおよび廃棄穴５３ａ、フィルタ５８ａ、チューブ７ａ、廃棄電磁弁１８ａを経由し廃棄槽８に導かれる。この際、流路５６ａ、５６ｇは反応槽５２ａの下側に位置する。また、流路５６ｊは反応槽５１ａの上方からの流出口となっていると共に、フィルタ５８ａの通過抵抗が発生するために、試料５７ａを反応槽５２ａに導いた後、すなわち試料５２ａを反応槽５１ａに残したまま供給される加圧気体のみを流路５６ｊ、廃棄穴５３ａ、フィルタ５８ａ、チューブ７ａ、廃棄電磁弁１８ａを介し廃棄槽８へ導く。すなわち、試料槽５２ａに充填されていた試料５７ａをＣ方向の反応槽５１ａへ移送する。その後、図１で示すコントローラ１５が制御するあらかじめ設定されたプログラムにより加圧電磁弁１６ａ、廃棄電磁弁１８ａは無励磁となり回路は遮断される。
【００３５】
第４段階の動作を図５に示す（図１７のステップ１７０４、１７０５）。
【００３６】
次に、図１で示すコントローラ１５からの信号により加圧電磁弁１６ｂ、廃棄電磁弁１８ａを励磁すると、加圧電磁弁１６ｂ、チューブ１７ｂ、加圧穴２２ｂを介し加圧気体は反応槽５２ｂに導かれ、試料５７ｂを押出す状態となる。さらに、回路は加圧電磁弁１６ａ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ及び廃棄電磁弁１８ｂ、１８ｃが閉ざされているため、試料５７ｂは前記で示した動作と同様に、唯一開放されている回路すなわち、流路５６ｂ、５６ｇを通り反応槽５１ａ、流路５６ｊ、廃棄口５３ａ、フィルタ５８ａ、チューブ７ａ、廃棄電磁弁１８ａを介し廃棄槽８へ流出される状態となる。しかし、前述した動作ですでに反応槽５１ａは移送された試料５７ａが充填されているため、試料５７ａと新たに移送された資料５７ｂが混合し混合試料５７ａｂを形成すると共に、反応槽５１ａの容積以上の混合試料５７ａｂおよびさらに供給される圧縮気体をＤ方向へ導き、流路５６ｊ、廃棄口５３ａ、フィルタ５８ａ、チューブ７ａ、廃棄電磁弁１８ａを介し廃棄槽８へ廃棄する。その後、あらかじめ設定されたプログラムにより加圧電磁弁１６ｂ、廃棄電磁弁１８ａは無励磁となり回路は遮断される。その結果、反応層５１ａには混合試料５７ａｂが充填され相互間の反応が行われる。
【００３７】
第５段階の動作を図６に示す（図１７のステップ１７０６、１７０７）。
【００３８】
次に、あらかじめ設定されたプログラムにより加圧電磁弁１６ｂ、廃棄電磁弁１８ｂを励磁すると、加圧電磁弁１６ｂ、チューブ１７ｂを介し試料槽５２ｂが加圧される。そのとき試料槽５２ａは加圧電磁弁１６ａが閉鎖されているため、加圧気体は流路５６ｂ、５６ｇを介し反応槽５１ａに導かれる。一方、流路５６ｊ、廃棄口５３ａ、チューブ７ａは廃棄電磁弁１８ａが閉ざされているため閉回路となっており、反応槽５１ａに導かれた加圧気体は内部に蓄積し、上方に溜りすでに反応槽５１ａ内に充填されている混合試料５７ａｂを加圧する。また、試料槽５２ｃと試料層５２ｄも加圧電磁弁 １６ｃ、１６ｄが閉ざされ、さらに反応槽５１ｂの上位にある試料槽５２ｅ、５２ｆも加圧電磁弁１６ｅ、１６ｆが閉ざされると共に、反応槽５１ｃの流路５６ｌ、廃棄口５３ｃ、チューブ７ｃも廃棄電磁弁１８ｃが閉ざされている状態となる。その結果、反応槽５１ａ内の混合試料５７ａｂはE方向すなわち流路５６ｈ、反応槽５１ｂ、流路５６ｋ、廃棄口５３ｂ、フィルタ５８ｂ、チューブ７ｂを介し、唯一開放されている廃棄電磁弁１８ｂを経由して廃棄槽８に導かれる。さらに、反応槽５１ｂに送られる混合試料５７ａｂは反応槽５１ｂの下方から流入するが、排出は流路５６ｋが反応槽５１ｂの上方にあると共に、フィルタ５８ｂで通過抵抗が発生するため、反応槽５１ｂ内に残り加圧気体のみが流路５６ｋ、廃棄口５３ｂ、フィルタ５８ｂ、チューブ７ｂ、廃棄電磁弁１８ｂを介し、廃棄槽８に排出される。その結果、反応槽５１ａ内に充填されていた混合試料５７ａｂを反応槽５１ｂに移送することとなる。その後、あらかじめ設定されたプログラムにより加圧電磁弁１６ｂおよび廃棄電磁弁１８ｂは、無励磁とされる。
【００３９】
第６段階の動作を図７に示す（図１７のステップ１７０８、１７０９）。
【００４０】
加圧電磁弁１６ｃと廃棄電磁弁１８ｂを励磁すると、チューブ１７ｃを介し試料槽５２ｃに充填された試料５７ｃが加圧され、唯一開放されているＦ方向への回路、すなわち流路５６ｃ、５６ｈ、反応槽５１ｂ、流路５６ｋ、廃棄口５３ｂ、フィルタ５８ｂ、チューブ７ｂ、廃棄電磁弁１８ｂ、廃棄槽８へ導かれる。その際、すでに混合試料５７ａｂが充填された反応層５１ｂ内へ試料５７ｃは流路５６ｈを経由し流入するが、流出する流路５６ｋは反応槽５１ｂの上方に設けられているため、すでに充填されていた混合試料５７ａｂにさらに混合され、混合試料５７ａｂｃを生成すると共に、溢れ出した混合試料５７ａｂｃは、さらに供給される圧縮気体と共に流路５６ｋ、廃棄口５３ｂ、フィルタ５８ｂ、チューブ７ｂ、廃棄電磁弁１８ｂを介し廃棄槽８へ廃棄される。その結果、反応層５１ｂ内には混合試料５７ａｂｃが残されることとなる。その後、あらかじめ設定されたプログラムにより加圧電磁弁１６ｃおよび廃棄電磁弁１８ｂは無励磁とされる。
【００４１】
第７段階の動作を図８に示す（図１７のステップ１７１０、１７１１）。
【００４２】
加圧電磁弁１６ｄと廃棄電磁弁１８ｂが励磁されると、試料槽５２ｄに充填された試料５７ｄがチューブ１７ｄを介し加圧され、唯一開放されているＧ方向への回路、すなわち流路５６ｄ、５６ｈ、反応槽５１ｂ、流路５６ｋ、廃棄口５３ｂ、フィルタ５８ｂ、チューブ７ｂ、廃棄電磁弁１８ｂ、廃棄槽８へ導かれる。その際、すでに混合試料５７ａｂｃが充填された反応層５１ｂ内へ試料５７ｄは、流路５６ｄを経由し流入し混合試料５７ａｂｃｄを生成する。さらに、流路５６ｋが反応槽５１ｂの上方に設けられているため、溢れ出した混合試料５７ａｂｃｄとさらに供給される圧縮気体は流 路５６ｋ、廃棄口５３ｂ、フィルタ５８ｂ、チューブ７ｂ、廃棄電磁弁１８ｂを介し廃棄槽８へ廃棄される。その結果、反応層５１ｂ内には混合試料５７ａｂｃｄが残され充填されることとなる。その後、あらかじめ設定されたプログラムにより加圧電磁弁１６ｂおよび廃棄電磁弁１８ｂは無励磁とされる。
【００４３】
第８段階の動作を図９に示す（図１７のステップ１７１２、１７１３）。
【００４４】
加圧電磁弁１６ｄ、廃棄電磁弁１８ｃを励磁すると、加圧電磁弁１６ｄ、チューブ１７ｄを介し、すでに試料５７ｄを移送した試料槽５２ｄが加圧される。そのとき、試料槽５２ｄを加圧した圧縮気体は、加圧電磁弁１６ａ、１６ｂ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、廃棄電磁弁１８ａ、１８ｂが閉ざされているため、Ｈ方向に唯一開放された回路、すなわち流路５６ｄ、反応槽５１ｂ、流路５６ｉ、反応槽５１ｃ、流路５６ｌ、廃棄口５３ｃ、フィルタ５８ｃ、チューブ７ｃ、廃棄電磁弁１８ｃを介し廃棄槽８へ導かれる。一方、反応槽５１ｂにはすでに混合試料５７ａｂｃｄ充填されているが、流路５６ｈから流入した圧縮気体は反応槽５１ｂの上方に溜り、混合試料５７ａｂｃｄを押出し流路５６ｉに導き、さらに反応槽５１ｃへと流入せしめる。その際、排出回路である流路５６ｌは反応槽５１ｃの上部に設けられていると共にフィルタ５８ｃの通過抵抗が発生するため、押出した圧縮気体は、混合試料５７ａｂｃｄを反応槽５１ｃ内に残し、流路５６ｌを通り、廃棄穴５３ｃ、フィルタ５８ｃ、チューブ７ｃ、廃棄電磁弁１８ｃを介し廃棄槽８へ導かれる。その結果、反応槽５１ｂに充填されていた混合試料５７ａｂｃｄは反応槽５１ｃに移送されて充填されることとなる。その後、あらかじめ設定されたプログラムにより加圧電磁弁１６ｄおよび廃棄電磁弁１８ｃは無励磁とされる。
【００４５】
第９段階の動作を図１０に示す（図１７のステップ１７１４、１７１５）。
【００４６】
加圧電磁弁１６ｅ、廃棄電磁弁１８ｃを励磁する。加圧電磁弁１６ｅおよびチューブ１７ｅを介し試料５７ｅが充填された試料槽５２ｅが加圧されると、加圧電磁弁１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｆ及び廃棄電磁弁１８ａ、１８ｂが閉ざされているため、試料５７ｅは、Ｉ方向へ唯一開放された回路すなわち流路５６ｅ、５６ｉ、反応槽５１ｃ、流路 ５６ｌ、廃棄口５３ｃ、フィルタ５８ｃ、チューブ７ｃ、廃棄電磁弁１８ｃを介し廃棄槽８へ導かれる。押出された試料５２ｅは、反応槽５１ｃにはすでに前工程で混合試料５７ａｂｃｄが充填されているが、反応槽５１ｃの下方に連接された流路５６ｉから流入し反応を行い混合試料５７ａｂｃｄｅを生成する。また、溢れた混合試料５７ａｂｃｄｅとさらに供給される圧縮気体は、反応槽５１ｃ上部に設けられた流路５６ｌから廃棄口５３ｃ、フィルタ５８ｃ、チューブ７ｃ、廃棄電磁弁１８ｃを介して廃棄槽８へ廃棄される。その結果、反応槽５１ｃ内には混合試料５７ａｂｃｄｅが充填されることとなる。その後、加圧電磁弁１６ｅ、廃棄電磁弁１８ｃは無励磁の状態とされる。
【００４７】
第１０段階の動作を図１１に示す（図１７のステップ１７１６、１７１７）。
【００４８】
加圧電磁弁１６ｆ、廃棄電磁弁１８ｃを励磁する。加圧電磁弁１６ｆおよびチューブ１７ｆを介し試料槽５２ｆが加圧されると、試料５７ｆは加圧電磁弁１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ及び廃棄電磁弁１８ａ、１８ｂが閉ざされているため、Ｊ方向に唯一開放された回路すなわち流路５６ｆ、５６ｉ、反応槽５１ｃ、流路５６ｌ、廃棄口５３ｃ、フィルタ５８ｃ、チューブ７ｃ、廃棄電磁弁１８ｃを介し廃棄槽８へ導かれる。反応槽５１ｃには、すでに前工程で混合試料５７ａｂｃｄｅが充填されているが、さらに試料５７ｆが反応槽５１ｃの下方に連接された流路５６ｉから移送され混合試料５７ａｂｃｄｅｆを生成する。また、溢れた混合試料５７ａｂｃｄｅｆおよびさらに供給される圧縮気体は、反応槽５１ｃ上部に設けられた流路５６ｌから廃棄口５３ｃ、フィルタ５８ｃ、チューブ７ｃ、廃棄電磁弁１８ｃを介して廃棄槽８へ廃棄される。その結果、反応槽５１ｃ内には混合試料５７ａｂｃｄｅｆが残され充填されることとなる。その後、加圧電磁弁１６ｆ、廃棄電磁弁１８ｃは無励磁の状態とされる。
【００４９】
以上の説明から、結果として、試料５７ａ及び５７ｂは反応槽５１ａ内で混合し、一定時間反応させた後、反応槽５１ｂへ移送される。さらに、試料５７ｃ、５７ｄを反応槽５１ｂへ追加移送して一定時間反応させた後、反応槽５１ｃへ移送する。さらに、試料５７ｅおよび５７ｆを追加し反応させ、最終生成物を反応槽５１ｃ内に得ることが出来て、一連の移送処理が終了する（図１７のステップ１７１８）。
【００５０】
（発明の他の実施形態）
次に、本発明の他の実施の形態を図１２に示す。
【００５１】
マイクロチップ１５０上には、図１で示す反応槽５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、試料槽５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅ、５２ｆ、廃棄穴５３ａ、５３ｂ、５３ｃ及び流路５６より構成される反応ライン１５１が設けられている。さらに、反応ライン１５１と同等の機構構成をなす反応ライン１５２、１５３が併設されている。また、カバー２２０には、図１で示す加圧穴２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆ及びOリング２６より構成される加圧穴群２５１、２５２、２５３が設けられている。さらに、テーブル３０３上には、図１で示す廃棄穴５ａ、５ｂ、５ｃ及びOリング６ａ、６ｂ、６ｃから構成される廃棄穴群３５１、３５２、３５３が併設されている。
【００５２】
一方、カバー２２０上の加圧穴群２５１、２５２、２５３には、チューブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅ、１７ｆから分岐された回路が、図１で示す回路と同等の状態で係合されている。また、廃棄電磁弁１８ａ、１８ｂ、１８ｃから接続されたチューブ７ａ、７ｂ、７ｃは分岐され、図１で示す回路の同等な状態で廃棄穴群３５１、３５２、３５３に接続されている。以上の構成を設けることにより、前述した単独の試料の移送を行うことにより、複数の反応ライン１５１、１５２、１５３を同時に駆動可能となると。さらに、駆動手段である廃棄電磁弁１８ａ、１８ｂ、１８ｃ及び図１で示す加圧電磁弁１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆが共用出来るので、より多数の反応工程を一度に実施できるという利点がある。説明において反応ライン数を３系統で説明したが、より多数の反応ラインを併設しても同等の結果を得ることが可能である。
【００５３】
以上、第１段階から第１０段階動作まで説明したが、試料５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄ、５７ｅ、５７ｆの粘性等の特性によっては、廃棄流路途上に設けたフィルタ５８ａ、５８ｂ、５８ｃを省いても同様の結果が得られるのは明らかである。
【００５４】
次に、本発明のさらに他の実施の形態を図１３に示す。
【００５５】
廃棄槽８は密閉構造とし、内部を負圧に動作させるための負圧ポンプ４１２および駆動モータ４１３が設けられ、さらに廃棄槽８内の圧力を検出し、フィードバックするための圧力センサ４１４が接続されている。また、モータ４１３および圧力センサ４１４はコントローラ１５に接続され、廃棄槽８内の圧力を所定の負圧に制御する構成となっている。以上の構成を設けることにより、廃棄槽８内へ廃棄される試料及び圧縮気体は、廃棄槽８内が大気圧の場合と比較しより確実になると共に、廃棄時間が短縮され生産性が向上する。
【００５６】
次に、本発明のさらに他の実施の形態を図１４に示す。
【００５７】
マイクロチップ５０内の試料槽５２ａ、５２ｂには試料５７ａ、５７ｂが充填されており、さらにその上面は、伸縮性を有する皮膜５９が設置されている。図１５は試料槽５２ａ内に充填された試料５７ａおよび前述したカバー２０、加圧穴２２ａ、Oリング２６、流路５６ａ、皮膜５９の構成断面図を示す。
【００５８】
次に、この実施の形態の動作を図１６を用いて説明する。
【００５９】
カバー２０に設けられた加圧穴２２ａから供給された圧縮気体は、皮膜５９がOリング２６で密閉されているため、試料槽５２ａの下方に膨隆する。その際、試料槽５２ａ内の試料５７ａは加圧され、流路５６ａ方向に押出される。これによって、過剰な気体を送ることを防ぐことができ、高価な流量精度の高いマイクロポンプを使用せずとも移送量の精度を向上させることができる。試料槽５２ａのサイズや皮膜５９を材質や供給する圧縮気体の圧力の組み合わせを変化させることにより、移送量を制御することが可能となる。
【００６０】
大気中などで本装置を動作させる場合、マイクロチップ５０の試料槽５２aに試料を充填し、その上面に伸縮性を有する皮膜５９を設置した後に、カバー２０を覆いかぶせると、カバー２０に設けられた加圧穴２２ａの辺りに空気などの気体が存在する。しかしながら、カバー２０に設けられた加圧穴２２ａから圧縮気体を供給し動作せしめるので、周囲の空気(気体)の混入は問題となることは無い。このような取り外し可能な構成とすることによって、各解析に於いて、マイクロチップ５０を取り替えることが可能になり、検査試料が混ざり合うことによる汚染を防ぐことが出来る。この結果、装置の簡便化、耐故障性及び信頼性が向上する。
【００６１】
上記のように、カバー２０は取外し可能なので、マイクロチップ５０の試料槽５２aの上面に設置する伸縮性を有する皮膜５９も取外し可能に構成することが出来る。これによって、試料槽５２aへの試料の導入を、マイクロチップ５０の上面から行うことが可能となる。加えて、試料槽５２ａの下部に流路５６ａを設置しているために、試料槽５２ａへの試料の導入が完全でなく試料槽５２aの上部に多少の気体が混入しようとも、流路５６ａには、まず試料槽５２aの下部に導入された試料が押出される。試料槽５２ａのサイズ、皮膜５９の材質、供給する圧縮気体の圧力の組み合わせを変化させることにより、試料槽５２aの上部に混入のおそれがある気体を残したまま、試料のみを移送することが可能となる。この結果、装置を取り扱う際の簡便化や耐故障性が向上する。
【００６２】
本発明の形態に係る移送機構によれば、簡易的な構成と制御により、マイクロチップ内で複数の化学試料を複数の反応槽へ順次移送し、それぞれの反応を行い遺伝子分析に必要な生成物を効率良く得ることが可能となる。また、小型化により軽量化、高速化、低消費電力化がはかれる。
【００６３】
また、本発明の形態に係る試料は、移送機構により、移送可能な全ての形態の物質を対象とすることが出来る。すなわち、マイクロチップ内で移送可能な化学試料の形態としては、液体、気体、ゲル状、粉体状等の化学試料を取り扱うことが可能である。この機能を勘案すれば、細菌などを含んだ気体などの分析に適用可能であることが解る。
【００６４】
さらに、このようなマイクロチップの移送機構によれば、移送に係わる駆動手段をマイクロチップの内部に設ける必要が無く、使い捨て可能な安価で小型なマイクロチップを提供でき、従来のように継続再使用における洗浄作業が不要で遺伝子分析を安価に出来ると共に信頼性も向上する。
【００６５】
さらに、このようなマイクロチップの移送機構によれば、移送に係わる単一の駆動手段を用い、多くの反応ラインを同時に動作することが可能となり、作業の大幅な効率向上と信頼性向上および操作性向上をもたらす。
【００６６】
以上述べてきたように、本発明は、上方を開放されかつ試料を充填するための複数の試料槽と、試料を混合反応させるための複数の反応槽とを有し、試料槽と反応槽を流路で連接し、加圧手段を介して試料を順次移送することにより、試料に対して予め定められた処理を行うマイクロチップの流体制御機構であって、上記試料槽からの移送流路及び反応槽への移送流路を試料槽及び反応槽の下部に設けたことを特徴とする。
【００６７】
ここで、前記予め定められた処理は、前記試料を反応、混合、分離あるいは分析する処理又は遺伝子を抽出、反応あるいは分析する処理である。
【００６８】
好ましくは、前記加圧手段により、前記試料槽の上部に設けられた開放口から圧縮気体を加圧供給し、前記試料を圧縮気体と共に前記反応槽へ移送する。
【００６９】
好ましくは、前記反応槽からの移送流路を前記反応槽の上部に設けると共に、前記マイクロチップの下方に向け移送流路を開放する。
【００７０】
また、前記試料槽からの移送流路及び反応槽への移送流路を一つの反応ラインとして構成した場合に、この反応ラインを前記マイクロチップ上に複数設けると共に、一つの加圧手段を分岐させて複数の反応ラインを駆動することが好ましい。
【００７１】
好ましくは、前記マイクロチップの移送機構は、さらに、負圧発生手段と、加圧気体及び試料を廃棄及び回収する廃棄槽とを有し、負圧発生手段によって前記反応槽からの移送流路を駆動することにより、廃棄槽の内部を負圧に設定する。
【００７２】
また、前記反応槽からの移送経路にフィルタを設けて、前記反応槽内に試料を残存させるようにすることが好ましい。
【００７３】
好ましくは、前記試料槽の上面に伸縮性皮膜を設け、前記試料を移送する際に、伸縮性皮膜を介して前記試料槽を加圧して送り出す。ここで、前記伸縮性皮膜を取り外し可能に構成するのが好ましい。
【００７４】
また、本発明は、上方を開放されかつ試料を充填するための複数の試料槽と、試料を混合反応させるための複数の反応槽とを有し、試料槽と反応槽を流路で連接し、試料を順次移送することにより、試料に対して予め定められた処理を行うマイクロチップの流体制御機構であって、
上記試料槽の上方より圧縮気体を供給することにより試料を移送し、反応槽への移送流路をマイクロチップの下方に設けると共に、反応槽からの移送流路をマイクロチップの上方に設け、マイクロチップを挟持する部材から圧縮気体を供給する加圧手段をマイクロチップの外側に設けたことを特徴とする。
【００７５】
ここで、前記予め定められた処理は、前記試料を反応、混合、分離あるいは分析する処理あるいは遺伝子を抽出、反応あるいは分析する処理である。
【００７６】
また、本発明では、上方を開放されかつ試料を充填するための複数の試料槽と、試料を混合反応させるための複数の反応槽とを有し、試料槽と反応槽を流路で連接し、加圧手段を介して試料を順次移送することにより、試料に対して予め定められた処理を行うマイクロチップの流体制御機構であって、
上記マイクロチップは、下面プレートと上面プレート及び下面プレートと上面プレートとの間に挟まれたメインプレートから成り、
上記試料槽は、メインプレート及び上面プレートを貫通した容器形状を成し、
上記反応槽は、メインプレートを貫通しかつ下面プレート及び上面プレートにより封じられた容器穴形状を成し、
上記メインプレート及び下面プレートを貫通するように複数の廃棄口が設けられており、
上記試料槽と反応槽とは、メインプレートの下面プレート側に設けた第１の流路により連接され、
上記廃棄口と反応槽とは、メインプレートの上面プレート側に設けられた第２の流路により連接されていることを特徴とする。
【００７７】
ここで、前記予め定められた処理は、前記試料を反応、混合、分離あるいは分析する処理あるいは遺伝子を抽出、反応あるいは分析する処理である。
【００７８】
前記加圧手段は、前記マイクロチップの外側に設けられていることが好ましい。
【００７９】
また、本発明の好ましい形態では、複数の試料容器穴から吐出され試料反応容器穴へ注入される流路を、マイクロチップの厚み方向に対し底面部に設け、さらに複数の資料が注入される試料反応容器からオーバーフローし廃棄される流路を、マイクロチップの上面近傍に設ける。このような構成により、所定の試料容量が試料反応容器内に残留するようにする。
【００８０】
また、本発明の他の好ましい形態では、マイクロチップに設けられた試料容器穴の上面を開放し、さらにマイクロチップを上方から挟持する押さえカバーに開放された試料容器と合致する位置に圧縮気体印加回路穴を設け、圧縮気体により試料容器に充填された試料を押出す構成とする。
【００８１】
また、本発明の他の好ましい形態では、複数の試料容器から移送され反応槽に供給された試料がオーバーフローする際に、試料自体が必要量廃棄されるのを防止するため、反応槽上部から下方に向け廃棄流路口を設け、カバーと共にマイクロチップを挟持するテーブルの廃棄流路口と一致する位置に貫通する廃棄流路を設け、圧縮気体により押出された試料が必要量だけ反応槽に残留し、余分な試料のみを廃棄する構成とする。
【００８２】
また、本発明の他の好ましい形態では、生産性を向上させるために、一つの移送駆動手段を分岐し複数の試料反応流路対を同時に駆動する構成とする。
【００８３】
また、本発明の他の好ましい形態では、オーバーフローした廃棄されるべき試料を確実にマイクロチップから隔離するために、テーブルに設けられた廃棄流路をさらに負圧で吸い込む吸引手段を設ける構成とし、生産性を向上させるために、一つの移送駆動手段を分岐し複数の試料反応流路対を同時に駆動する構成とする。
【００８４】
また、本発明の他の好ましい形態では、反応槽に効率良く試料を充填するために、反応槽からの流出する流路途上にフィルタを設け、気体通過と液体通過の抵抗に差を生じさせる構成とする。
【００８５】
また、本発明の他の好ましい形態では、移送量を安定させると共に試料によっては不要な過剰な気体を送ることを防止するため、試料槽上面に伸縮性を有する皮膜を設け、皮膜を介し加圧し皮膜の膨張による容積変化により、試料を移送する構成とする。
【００８６】
本発明によれば、従来マイクロチップ内に設けられていたバルブ機構を廃止し、簡易な流路構成とすることにより、使い捨てが可能でありかつ安価なマイクロチップを供給することができる。
【００８７】
また、本発明の好ましい形態では、従来マイクロチップ内に設けられたバルブ機構を廃止し、マイクロチップを挟持する部材から圧縮気体により試料を移送するため、使い捨てが可能であり、安価なマイクロチップを供給することができる。
【００８８】
ここで、圧縮性媒質(気体)を使用したとした時の効果として以下の点が挙げられる。つまり、装置の周囲は空気(気体)であふれている。しかしながら、非圧縮性媒質を使用（特許文献３参照）した場合には、非圧縮性媒質中に気泡(空気などの気体)の混入がないようにする必要がある。そのために幾つかの工夫が必要となる。これに対して、本発明のように、圧縮性媒質(気体)を使用すれば、媒質として空気(気体)を加圧穴から供給する際に、周囲は空気(気体)が混入しても動作する。この結果、装置の簡便化や耐故障性が向上する。
【００８９】
また、本発明の好ましい形態では、装置を小型化可能としさらに廃棄された試料を確実に回収することができ、高価な試料の分析を最小限量で行うことが出来る。さらに、繰り返し行う分析において、以前行った分析との相互汚染を確実に防止することができる。
【００９０】
また、本発明の好ましい形態では、簡易な移送駆動手段を用いて、複数の試料反応流路対を同時に駆動することが可能である。これにより、安価で小型化された機構を使用してさらに生産性を向上させた移送を行うことができる。
【００９１】
また、本発明の好ましい形態では、使用後の廃棄された試料を確実に回収でき、繰り返し行う分析において以前おこなった分析との相互汚染を防止することが可能となる。
【００９２】
また、本発の好ましい形態では、簡易な移送駆動手段を用いて複数の試料反応流路対を同時に駆動することが可能であり、安価で小型化された機構を使用して、さらに生産性を向上させた移送を行うことができる。
【００９３】
また、本発明の好ましい形態では、試料が充填されたマイクロチップの試料槽の上に伸縮性の皮膜を設け、皮膜を介し加圧し膨張させて試料を移送することにより、流量の精度を向上させると共に過剰な気体を送ることを防止できる。
【００９４】
以上、実施形態に基づき本発明を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に制限されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことができ、これらの変更例も本願に含まれることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明は、一枚のチップ上で、試料や液体試薬を反応させる。これにより、化学精製・生成・分析、遺伝子分析、細胞増殖を行うことにより、医療・診断ツール、バイオ研究ツール、食品・環境検査システムなどに利用可能である。
【図１】
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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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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