(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気に開放され、液体が供給される供給部、この供給部に一端が接続された流路、および、この流路の他端が接続された液だめを有するフローセルと、
前記液だめに一端が接続され、前記液だめ内の液体を排出する排出管と、
前記液だめに一端が接続され、前記液だめ内の気体を吸引する第１の吸気管と
前記排出管の他端が接続された気液分離装置と、
この気液分離装置に一端が接続された第２の吸気管と、
前記第１の吸気管および前記第２の吸気管の他端が接続された吸引ポンプと
を備えたことを特徴とする送液装置。
【請求項２】
大気に開放され、液体が供給される供給部、この供給部に一端が接続された流路、および、この流路の他端が接続された液だめを有するフローセルと、
前記液だめに一端が接続され、前記液だめ内の液体を排出する排出管と、
前記液だめに一端が接続され、前記液だめ内の気体を吸引する第１の吸気管と、
前記排出管の他端が接続された気液分離装置と、
この気液分離装置に一端が接続された第２の吸気管と、
前記第１の吸気管および前記第２の吸気管の他端が接続された吸引ポンプと
を備えた送液装置の送液方法であって、
前記吸引ポンプを駆動して、前記第１の吸気管を介して前記液だめ内の気体を前記吸引ポンプに吸引し、大気に開放された前記供給部と前記液だめとの間に圧力差を発生させて、前記供給部に供給された液体を前記流路を通って前記液だめまで送液するステップと、
前記吸引ポンプを駆動して、前記第２の吸気管を介して前記気液分離装置内の気体を前記吸引ポンプに吸引し、大気圧と前記気液分離装置との間に圧力差を発生させて、前記液だめに流入して前記排出管の一端に到達した液体を、前記排出管を通って前記気液分離装置まで送液するステップと
を有することを特徴とする送液方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送液装置および送液方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
微小な流路（以下、「マイクロ流路」と言う。）を作製して流体を流通させることにより生化学測定や化学合成を行う技術は、Lab on a chipと呼ばれて注目されている（例えば、非特許文献１参照。）。この技術において流体を微小な流路に送液する方法は、圧力を用いる方法と電気泳動を利用する方法とが主流となっている。このうち、圧力を用いる方法は、電気泳動を利用する方法と比較して、液体の性質に関わらず送液でき、流速を制御しやすいので、広く用いられている。
【０００３】
一例として、水溶液などをマイクロ流路に流す場合、液体の流れを層流と仮定すると、マイクロ流路の両端間の圧力差をΔＰ、マイクロ流路の長さをＬ、マイクロ流路の断面を半径ｒの円形としたとき、体積流速Ｖvolumeと粘度ηの関係は下式（１）で表すことができる。
【０００４】
ΔＰ／Ｖvolume＝８Ｌη／｛πｒ04｝  ・・・（１）
【０００５】
同様に、マイクロ流路の断面が幅ａ、高さｂの長方形の場合には、体積流速Ｖvolumeと粘度ηの関係は下式（２）で表すことができる。なお、下式（２）において、Ｆ（ｓ）はアスペクト比ｓ＝ａ／ｂの関数である（例えば、非特許文献２参照。）。
【０００６】
ΔＰ／Ｖvolume＝Ｌη／｛４（ａｂ）2Ｆ（ｓ）｝  ・・・（２）
【０００７】
上式（１）、（２）等を用い、圧力を一定にしてマイクロ流路内に液体を流したときの液体の流速を測定することにより、液体の粘度を測定することができる。このとき、マイクロ流路を流れる液体の粘性が化学反応で変化する場合には、その測定によって反応の進行や反応速度を測定することができる。
【０００８】
そこで、このような測定を実現するために、大気に開放された供給口、この供給口に一端が接続されたマイクロ流路、および、このマイクロ流路の他端に接続された排出口を有するフローセルと、このフローセルの排出口に液体吸引用のチューブを介して接続された気液分離装置と、気体吸引用のチューブを介して気液分離装置と接続された圧力源とを備えた送液装置が提案されている。この送液装置において測定を行う場合、圧力源を大気圧よりも負圧に設定して駆動させるとともに、供給口にサンプルを注入する。すると、マイクロ流路の上流側と下流側との圧力差により、サンプルは、マイクロ流路の上流側から下流側に流れ、排出口液体吸引用のチューブに流入し、最終的に気液分離装置に到達する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Nam-Trung Nguyen, Steven T. Wereley、undamentals and applications of microfluidics、Chapter 8 page 344 Figure 8.1、Artech House、2002
【非特許文献２】P. A. Longwell著、大谷寛治訳、化学技術者のための流れ学、p37, p134、共立出版、1970
【非特許文献３】インターネット、<http://www.sensirion.co.jp/pdf/doc_center/04_differential_pressure/01_analog_sensors/03_SDP1108/en/Datasheet_differential_pressure_sensor_SDP1108_SDP2108.pdf>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述した従来の送液装置では、次のような問題があった。
【００１１】
マイクロ流路の両端間の圧力を一定にして送液しようとすると、小型化の制約や微差圧を測定するセンサは高精度の温度制御が必要なので、その圧力を検出するセンサと圧力源をフローセルに設置することができない（例えば、非特許文献３参照。）。このため、フローセルの外部に設けたセンサや圧力源を、非圧縮性の液体を満たしたチューブで接続する必要がある。すると、チューブの長さの分だけ液体の移動による圧力損失が発生するので、制御圧力（大気圧との差）がチューブを流れる流速に依存する。
また、例えば１０［mbar］（１［kPa］）以下など制御圧力が小さい場合、チューブ内壁の濡れ性、チューブ内部の汚れやごみによって制御圧力にチューブ出口の圧力が追従せず、マイクロ流路中の液体が間欠的に流れたり、脈流になったりして、実質的に測定ができないことがある。
このように、従来の送液装置では、マイクロ流路の両端間の圧力を正確に制御することが困難であった。
【００１２】
また、複数の液体を順次測定する場合にはマイクロ流路の洗浄が必要であるが、流路の断面積が狭いために多量の洗浄液を使うと時間がかかるので、少量の洗浄液しか使用することができない。この少量の洗浄液を排出するために液体吸引用のチューブに内径が大きなチューブを用いると、このチューブ内に洗浄液が貯留されるので、測定を繰り返す度にチューブ内部の汚染が進行する。そのため、洗浄液を排出するには内径が小さいチューブを使うことが望ましい。
一方、圧力制御の観点からすると、液体吸引用のチューブは、内径が大きいほど圧力抵抗が低く、液体の侵入によるチューブの閉鎖の可能性が低くなるので、内径が大きなチューブを用いることが望ましい。
このように、従来の送液装置では、圧力制御と洗浄液の排出を１本のチューブで実現することが困難なので、複数の液体を順次測定することが困難であった。
【００１３】
さらに、測定を行う際には、フローセルの供給口から気液分離装置内の液体吸引用のチューブの先端まで液体で満たす必要があるが、このときに、気体を混入させないことと、気液分離装置の液面とマイクロ流路の高さを一致させることが要求される。これは、気体が混入すると、その気体の膨張で制御圧力より低い差圧が排出口にかかるので、正確に圧力制御できなくなってしまう。また、気液分離装置の液面とマイクロ流路の高さを一致させないと、サイフォン効果で液体が流れてしまうからである。このため、従来の送液装置では、測定の準備に手間がかかっていた。
【００１４】
そこで、本発明は、マイクロ流路の両端間の圧力を正確に制御する送液装置、送液チップおよび送液方法を提供することを第１の目的とする。
【００１５】
また、本発明は、より容易に複数の液体を順次測定することができる送液装置、送液チップおよび送液方法を提供することを第２の目的とする。
【００１６】
さらに、本発明は、測定の準備をより容易にすることができる送液装置、送液チップおよび送液方法を提供することを第３の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上述したような課題を解決するために、本発明にかかる送液装置は、大気に開放され、液体が供給される供給部、この供給部に一端が接続された流路、および、この流路の他端が接続された液だめを有するフローセルと、液だめに一端が接続され、液だめ内の液体を排出する排出管と、液だめに一端が接続され、液だめ内の気体を吸引する第１の吸気管と排出管の他端が接続された気液分離装置と、この気液分離装置に一端が接続された第２の吸気管と、第１の吸気管および第２の吸気管の他端が接続された吸引ポンプとを備えたことを特徴とするものである。
【００１８】
なお、送液チップは、大気に開放され、液体が供給される供給部、この供給部に一端が接続された流路、および、この流路の他端が接続された液だめを有するフローセルと、液だめに一端が接続され、液だめ内の液体を外部に排出する排出管と、液だめに一端が接続され、液だめ内の気体を吸引する吸気管とを備える。
【００１９】
また、本発明に係る送液方法は、大気に開放され、液体が供給される供給部、この供給部に一端が接続された流路、および、この流路の他端が接続された液だめを有するフローセルと、液だめに一端が接続され、液だめ内の液体を排出する排出管と、液だめに一端が接続され、液だめ内の気体を吸引する第１の吸気管と、排出管の他端が接続された気液分離装置と、この気液分離装置に一端が接続された第２の吸気管と、第１の吸気管および第２の吸気管の他端が接続された吸引ポンプとを備えた送液装置の送液方法であって、吸引ポンプを駆動して、第１の吸気管を介して液だめ内の気体を吸引ポンプに吸引し、大気に開放された供給部と液だめとの間に圧力差を発生させて、供給部に供給された液体を流路を通って液だめまで送液するステップと、吸引ポンプを駆動して、第２の吸気管を介して気液分離装置内の気体を吸引ポンプに吸引し、大気圧と気液分離装置との間に圧力差を発生させて、液だめに流入して排出管の一端に到達した液体を、排出管を通って気液分離装置まで送液するステップとを有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、吸引ポンプが第１の吸気管を介して液だめ内の気体を吸引することにより流路の両端間の圧力を制御するので、従来のように非圧縮性流体で満たしたチューブを用いずにその圧力を制御できる。結果として、流路の両端間の圧力をより正確に制御することができる。
【００２１】
また、第１の吸気管や排出管内に液体を満たさずに送液できるので、測定の準備をより容易に行うことができる。
【００２２】
さらに、吸気管または排出管と供給部との間に選択的に圧力差を発生させることにより、一定の圧力で流路内に液体を送液した後、流路内の液体を全て排出することができるので、この動作を繰り返し行うことにより、複数の液体を順次測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る送液装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】図２は、フローセルの製造方法を説明するための図である。
【図３】図３は、フローセルの製造方法を説明するための図である。
【図４】図４は、第１の吸気管および排出管の変形例を説明するための図である。
【図５】図５は、排出管の変形例を説明するための図である。
【図６】図６は、第１の吸気管および排出管の変形例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２５】
＜送液装置の構成＞
図１に示すように、本実施の形態に係る送液装置は、フローセル１と、このフローセル１に一端が接続された第１の吸気管２および排出管３と、この排出管３の他端が接続された気液分離装置４と、この気液分離装置４に一端が接続された第２の吸気管５と、第１の吸気管２および第２の吸気管５の他端が接続された吸引ポンプ６とを備えている。
【００２６】
フローセル１は、直方体状に形成されており、液体が供給される供給部１１と、この供給部１１に一端が接続された流路１２と、この流路１２の他端が接続された液だめ１３とを備えている。このフローセルは、第１の吸気管２および排出管３とともに送液チップを構成している。
【００２７】
供給部１１は、上部がフローセル１の上面から開口する凹部からなり、具体的には底部が封鎖された円筒形状（円管）を有している。
流路１２は、断面矩形の管であり、供給部１１の底部に接続された一端からフローセル１の上面または底面に沿った方向に延在している。
液だめ１３は、フローセル１内部に形成された円柱状の空間であり、底部に流路１２の他端が接続されている。液だめ１３の上部、すなわち、動作時に気体が存在する領域には、第１の吸気管２の一端が接続されている。また、液だめ１３の底部近傍、すなわち動作時に液体が存在する領域には、排出管３の他端が配設されている。このような液だめ１３は、流路１２、第１の吸気管２および排出管３のみが接続された閉鎖空間である。
【００２８】
第１の吸気管２は、液だめ１３と吸引ポンプ６とを連通する管である。この第１の吸気管２の液だめ１３に接続された一端は、動作時に液だめ１３内の気体が存在する領域に配設されている。これにより、第１の吸気管２は、液だめ１３内の気体を吸引して、ポンプ６に送出する。
【００２９】
排出管３は、液だめ１３と気液分離装置４とを連通する管である。この排出管３の液だめ１３に接続された一端は、液だめ１３内部の液体が存在する領域に配設されている。これにより、排出管３は、液だめ１３内の液体を吸引して、気液分離装置４に送出する。
【００３０】
気液分離装置４は、内部に閉鎖空間を有する筐体である。気液分離装置４内の底部には、排出管３の他端が配設されている。また、気液分離装置４内の上部には、第２の吸気管５が配設されている。このような気液分離装置４は、第２の吸気管５により内部の気体が吸引されると、内部の気体にかかる圧力を内部の液体にかけて、排出管３を介して液だめ１３内の液体を吸引する。
【００３１】
第２の吸気管５は、気液分離装置４と吸引ポンプ６とを連通する管である。このような第２の吸気管５は、気液分離装置４内の気体を吸引して吸引ポンプ６に送出する。
【００３２】
吸引ポンプ６は、気体を吸引するポンプである。この吸引ポンプ６は、気体の吸引口となるポート６ａ，６ｂから、ユーザにより設定された圧力で選択的に気体を吸引する。本実施の形態では、ポート６ａに第１の吸気管２、ポート６ｂに第２の吸気管５が接続されている。
【００３３】
＜送液装置の動作＞
次に、本実施の形態に係る送液装置の動作について説明する。
【００３４】
一定の圧力で送液する場合には、供給部１１から液体を注入した後、吸引ポンプ６を駆動し、ポート６ａ，６ｂに大気圧よりも低い圧力をかける。すると、第１の吸気管２を介して液だめ１３内の気体が吸引ポンプ６に吸引される。これにより、大気に開放された供給部１１と液だめ１３との間に圧力差が発生し、供給部１１に供給された液体が、流路１２を通って液だめ１３に流入する。この液だめ１３に流入した液体は、排出管３の一端に到達すると、大気圧と気液分離装置４内の圧力との圧力差により、排出管３を通って気液分離装置４に流入する。
【００３５】
このように、本実施の形態によれば、吸引ポンプ６が第１の吸気管２を介して液だめ１３内の気体を吸引することにより流路１２の両端間の圧力を制御するので、従来のように非圧縮性流体で満たしたチューブを用いずに、その圧力を制御できる。結果として、流路１２の両端間の圧力をより正確に制御することができる。
【００３６】
また、本実施の形態によれば、第１の吸気管２や排出管３内に液体を満たさずに送液できるので、測定の準備をより容易に行うことができる。
【００３７】
フローセル１内部の液体を排出する場合には、吸引ポンプ６を駆動し、ポート６ａは圧力をかけない一方、６ｂに大気圧よりも低い圧力をかける。すると、第１の吸気管２を介して液だめ１３内の気体が吸引ポンプ６に吸引される。これにより、流路１２，液だめ１３および排出管３を介して、大気に開放された供給部１１と気液分離装置４との間に圧力差が発生し、液だめ１３内の液体が排出管３を通って気液分離装置４に送出される。したがって、供給部１１から連続的に液体を供給することにより、供給部１１、流路１２および液だめ１３内部の液体を置き換えることができる。そこで、上述したように一定の圧力でサンプルを送液した後、フローセル１内の液体を排出し、この動作を繰り返し行うことにより、複数の液体を順次測定することができる。
【００３８】
また、ポート６ａには圧力がかけられていないので、液だめ１３内の流体が吸引ポンプ６に流入することを防ぐことができる。
【００３９】
＜実施例＞
次に、本実施の形態に係る送液装置の実施例について説明する。
【００４０】
本実施例において、フローセル１は、以下の手順により作製した。
【００４１】
まず、ＢＫ７ガラスの上面に流路１２に対応する部分だけを切り抜いたマスクテープを貼り、スパッタ法によりその上面にチタンと金の薄膜を順次堆積した後、そのマスクテープを剥離する。これにより、流路１２の部分だけにチタンと金の薄膜が形成されたＢＫ７ガラス構造体を作製する。
【００４２】
次に、図２，図３に示すように、シリコン基板１０１を用意し、この上面にマイクロケム社製ＳＵ−８からなる流路１２に対応する型１０２を形成する。続いて、この型１０２の両端にアクリルからなる円柱ポスト１０３，１０４を接着する。この円柱ポスト１０３，１０４は、供給部１１および液だめ１３に対応している。
【００４３】
次に、東レダウコーニング社製ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）をシリコン基板１０１上に塗布して硬化させ、供給部１１、流路１２および液だめ１３に対応する構成が形成されたＰＤＭＳ構造体を作製する。
【００４４】
最後に、アネルバ社製ＲＩＥ装置ＤＥＭにより、ＢＫ７ガラス構造体とＰＤＭＳ構造体の流路１２に対応する側を活性化させて接着した後、射出成形で作製したハウジングに固定する。
【００４５】
このようにして作製したフローセル１において、液だめ１３は、高さ２［ｍｍ］、半径３［ｍｍ］の円柱状に形成されており、液だめ１３内の排出管３を除いた断面積は、０．０７１［ｃｍ2］であった。一方、流路１２の内部体積は、約４．５ｅ-4［ｃｍ3］であった。したがって、一回の測定で流路１２の２倍の体積の液体を流すとすると、液だめ１３の液面の上昇は１２７［μｍ］であるので、一回の測定における液面上昇による流路１２両端の差圧の変化は無視できる程度となっている。
【００４６】
また、第１の吸気管２には、外径が１／３２［inch]（０．７９３７５ ［ｍｍ］）の円筒状の１／３２”ＦＥＰ（Fluorinated Ethylene Propylene）チューブを用いた。
排出管３および第２の吸気管５には、外径が１／１６［inch]（４．２３３ ［ｍｍ］）の円筒状の１／１６”ＦＥＰチューブを用いた。
ここで、第１の吸気管２および排出管３の一端は、フローセル１を構成する上記ＰＤＭＳ構造体に生研トレパン（カイインダストリー製）で形成した貫通孔に挿入した。
【００４７】
吸引ポンプ６としては、Fluigent社製MFCS-VACを用いた。このポンプは、大気圧より低い一定の圧力に制御される複数の気体用ポートを備えている。本実施例では、図１に示すように、第１の吸気管２をポート６ａ、排出管３は、気液分離装置４および第２の吸気管５を介してポート６ｂに接続した。
【００４８】
このような構成を有する送液装置において、サンプルの測定を行う場合、まず、ポート６ａ，６ｂの制御圧力を大気圧よりも１［mbar］小さい−１［mbar］（−０．１［kPa］）に設定し、供給部１１に流路１２の体積の２倍の水をピペットで注入する。これにより、流路１２が水で満たされるとともに、液だめ１３内の一部に水が貯留されてゆき、供給部１１内の液面に働く表面張力と制御圧力とが釣り合うと、水の移動が停止する。この状態を初期状態と言う。
【００４９】
続いて、サンプルとしてリン酸緩衝生理食塩水（Phosphate buffered saline:PBS）を供給部１１に１［μＬ］注入して流速を測定する。
【００５０】
流速の測定が終了すると、流路１２と液だめ１３の内部を洗浄するために、６ａポートの制御圧を０、６ｂポートの制御圧を−３００［mbar］に設定し、供給部１１に１／３２”ＦＥＰチューブを介してシリンジポンプに接続し、このシリンジポンプから連続的に洗浄液を注入する。このとき、シリンジポンプの流速は、ポート６ｂの制御圧力で吸引される速度に一致するように調整しておく。
【００５１】
このとき、ＳＰＲ表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：surface plasmon resonance）装置等により、流路１２に形成した金の薄膜に対してＳＰＲ測定を行って、流路１２内を流れる液体の屈折率を測定する。この屈折率が洗浄の終了の目安となる所定の値になったことを確認すると、シリンジポンプからの洗浄液の送液を停止する。
【００５２】
洗浄液の送液を停止すると、そのシリンジポンプから水を連続的に送液し、流路１２および液だめ１３内部を水に置換する。このとき、ＳＰＲ測定により流路１２内の液体の屈折率を測定し、この屈折率が流路１２内が水で満たされたことを示す所定の値になる、すなわち、ＳＰＲ現象による反射率減少部分が存在しないことを確認すると、シリンジポンプからの水の送液を停止する。これにより、流路１２および液だめ１３内部の洗浄液が排出されたこととなる。
【００５３】
次に、ポート６ａ，６ｂの制御圧力を−１［mbar］に設定する。これにより、フローセル１は、上記初期状態に戻ることとなる。
【００５４】
このようなサイクルを、−１［mbar］に設定した制御圧力を−０．８［mbar］から１０［mbar］の範囲で変化させながら繰り返し行い、各制御圧力とサンプルの流速の関係を繰り返し測定することにより、圧力と流速の関係を得ることができ、この関係の傾きから粘度を求めることができる。
【００５５】
本実施例では、流路１２の体積の２倍程度という微量で液体の粘度を測定することができる。微量の粘度測定は、サンプルが微量しか得られない場合に特に有用である。そのようなサンプルとしては、人由来の血液、血漿、臓器の細胞間浸出液等が挙げられる。本実施例では、連続して繰り返し測定ができるので、微量なサンプルが多数ある場合にも有効である。
【００５６】
なお、第１の吸気管２は、液だめ１３内の液体の吸引を防ぐために、内径が大きい方が好ましい。また、サンプルが水溶液の場合、第１の吸気管２は、FEP, PFA, ETFE, ECTFE等の表面非活性な材料、フッ化物ポリマー、PEEK,デルリンなどを材料とするものを使用することが望ましい。
【００５７】
また、本実施例では、流路１２を洗浄するとき、液だめ１３の体積が小さいので、流路１２を通して洗浄液を流しても、液だめ１３を十分に洗浄することができる。なお、液だめ１３の洗浄状態をモニターするために、ＢＫ７ガラスの液だめ１３に対応する位置にも金薄膜を形成し、ＳＰＲ法により屈折率を測定できるようにしてもよい。
【００５８】
なお、本実施の形態では、液だめ１３にそれぞれ独立した第１の吸気管２と排出管３を接続する場合を例に説明したが、第１の吸気管２と排出管３は、図４に示すように第１の吸気管２’内に排出管３’を収容した二重管とするようにしてもよい。これにより、液だめ１３の容積をさらに小さくすることができる。
【００５９】
また、本実施の形態において、排出管３は、フローセル１の上面から液だめ１３内に配設する場合を例に説明したが、排出管３は重力の作用を受けないので、必ずしも上面に配設する必要がない。例えば、図５に示すように、フローセル１の側面から吸引でききるように配設してもよい。この場合には、排出管３”の端面を液だめ１３の内部の面の形状に合わせて形成することにより、排出管３”が液だめ１３に露出する面積を小さくすることができる。
【００６０】
さらに、本実施の形態では、第１の吸気管２と排出管３をフローセル１に直接に接続する場合を例に説明したが、例えば、図６に示すように、液だめ１３の上面を塞ぐ蓋部材１４を設け、この蓋部材１４に第１の吸気管２と排出管３を配設するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、例えば、フロー分析、ケミカルセンサ、バイオセンサなど流体を送液する機構を有する各種装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１…フローセル、２，２’…第１の吸気管、３，３’，３”…排出管、４…気液分離装置、５…第２の吸気管、６…吸引ポンプ、６ａ，６ｂ…ポート、１１…供給部、１２…流路、１３…液だめ、１４…蓋部材。
【図１】
0006001507.tif 000002
【図２】
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【図３】
0006001507.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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