(57)【要約】【課題】試料液がバッファ液によって希釈されるのを抑える。【解決手段】流路の中央部に隔壁Ｂ１，Ｂ２により試料液導入口が画定され、隔壁Ｂ１と流路の隔壁Ａ１との間、隔壁Ｂ２と流路の隔壁Ａ２との間にそれぞれバッファ導入口１０−１，１０−２から第１，第２のバッファ液がそれぞれ圧力又は流量が制御されて導入される。バッファ導入口１０−１から導入される第１のバッファ液流中には上流から下流方向に延在する仕切り壁１２−１が設けられ、バッファ導入口１０−２から導入される第２のバッファ液流中にも上流から下流方向に延在する仕切り壁１２−２が設けられており、これらの仕切り壁１２−１，１２−２によりバッファ液が段階的に試料液の流れを変化させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体内部の流路を流れる試料液流に対し、その両側を挟むバッファ液流を形成し、両側の前記バッファ液流間の圧力差又は流量差に基づいて前記試料液流の流れの方向を切り替えるフロースイッチにおいて、
前記バッファ液流が試料液流に段階的に作用して試料液流の流れの方向を段階的に変化させるようにしたことを特徴とするフロースイッチ。
【請求項２】
前記バッファ液流のそれぞれを、試料液流に対して流れの方向に沿った異なる位置で作用する２以上の部分からなるものとした請求項１に記載のフロースイッチ。
【請求項３】
前記バッファ液流のそれぞれを２以上に分割し、分割されたバッファ液流部分を試料液流に対して流れの方向に沿った異なる位置で作用させるようにバッファ液流の流れを規制する仕切り壁をバッファ液流の流れ中に配置した請求項１に記載のフロースイッチ。
【請求項４】
前記試料液がこのフロースイッチに流入する流入部より上流側には試料液とバッファ液とを分離する隔壁が存在しており、
前記仕切り壁は前記隔壁よりも下流側まで延在している請求項３に記載のフロースイッチ。
【請求項５】
前記仕切り壁は各バッファ液の流れ中に２枚以上が配置されており、試料液に対して外側にある仕切り壁ほど下流側まで延在している請求項４に記載のフロースイッチ。
【請求項６】
前記仕切り壁は流れ方向の長さが全て等しい請求項５に記載のフロースイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，例えばμＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍ）分野のような、チップ上で微量な試料液を用いて化学分析や化学反応を行う際に、試料液の流れを制御するのに用いられるフロースイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
μＴＡＳ分野のような微小な空間で試料液の流れを制御する方法として、シースフローを用いたシースフロー型フロースイッチが報告されている。シースフロー型フロースイッチは、基体内部の流路を流れる試料液流に対し、その両側を挟む試料液とは異なる種類のバッファ液流を形成し、両側のバッファ液流間の圧力差又は流量差に基づいて試料液の流れの方向を切り替えるものである。
【０００３】
図６にそのようなフロースイッチの概念図を示す。試料導入口１から試料液２を、２つのバッファ導入口３−１、３−２からバッファ液４−１、４−２をそれぞれ導入することにより、バッファ液４−１、４−２が試料液２を挟み込む状態の流れ（シースフロー）を形成する。このとき２つのバッファ液流４−１、４−２間の圧力差又は流量を調整することにより、試料液２の流れの方向を制御して試料取得口５−１〜５−３のいずれかを任意に選択することができる。
【０００４】
具体的な例としては、シリコン基板にエッチングにより流路を形成しその上面をガラス基板で被うことにより形成した、５つの試料取得口をもつフロースイッチ（非特許文献１参照。）や、石英基板にエッチングにより流路を形成しその上面をガラス基板で被うことにより形成した、２つの試料導入口と４つのバッファ導入口、６つの試料取得口を持つもの（非特許文献２参照。）が提案されている。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｇ．Ｂｌａｎｋｅｎｓｔｅｉｎ，  ｅｔ．ａｌ，  Ｓｐｅｃｉａｌ  Ｉｓｓｕｅ  μＴＡＳ’９６，  ｐｐ．８２−８４，  １９９６
【非特許文献２】
Ｇ．Ｌｅｅ，  ｅｔ．ａｌ．  Ｔｈｅ  １１ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｓｅｎｓｏｒｓａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  （Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ’０１），  ２００１，  ｐｐ．１１５８−１１６１
【非特許文献３】
Ｊ．  Ｐ．  Ｂｒｏｄｙ，  Ｐ．  Ｙａｇｅｒ，  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，  ｐｐ．１０５−１０８
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来報告されてきたフロースイッチでは、試料液の流れの方向を変化させた場合、両側のバッファ液による試料液の希釈が発生する問題があることがわかった。図７にその概念図を示す。試料導入口６から導入した試料液を試料取得口８−２（８−１でも同じ）に導入するために、バッファ導入口７−１、７−２からそれぞれ導入するバッファ液の圧力又は流量を制御して試料液の流れの方向を変化させなければならないが、その際、円で囲って示しているように、試料液がバッファ液によって希釈されるという現象が起こる。そのため、このフロースイッチを、例えば試料液を特定の取得口に導入するサンプルインジェクターとして用いた場合、試料液はバッファ液によって希釈されてしまうため、試料濃度が変化してしまい、定量的な試料導入が困難となる問題がある。
【０００７】
本発明は、試料液がバッファ液によって希釈されるのを抑えることのできるフロースイッチを提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、試料液に対するバッファ液の作用の仕方と試料液の希釈との関係を種々検討し、試料液に対しバッファ液全体を一度に作用させるよりも、複数の部分に分けて段階的に作用させる方が試料液の希釈が抑えられることを見出し、本発明に到達したものである。ここで、バッファ液とは、試料液とは異なる種類の液体であって、試料液流に作用して試料液流の流れの方向を変化させるために使用される液をいう。
【０００９】
すなわち、本発明は、基体内部の流路を流れる試料液流に対し、その両側を挟むバッファ液流を形成し、両側のバッファ液流間の圧力差又は流量差に基づいて試料液流の流れの方向を切り替えるフロースイッチにおいて、バッファ液流が試料液流に段階的に作用して試料液流の流れの方向を段階的に変化させるようにしたことを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
バッファ液流を試料液流に段階的に作用させるには、種々の形態をとることができる。
その１つの形態は、試料液流の両側から作用するバッファ液流のそれぞれを、試料液流に対して流れの方向に沿った異なる位置で作用する２以上の部分からなるものとする形態である。例えば、図６のバッファ導入口３−１，３−２をそれぞれ２以上に分割して、それぞれの分割された注入口からバッファ液を注入するようにする方法を挙げることができる。
【００１１】
他の形態は、試料液流の両側から作用するバッファ液流のそれぞれを２以上に分割し、分割されたバッファ液流部分を試料液流に対して流れの方向に沿った異なる位置で作用させるようにバッファ液の流れを規制する仕切り壁をバッファ液流中に配置する形態である。
【００１２】
この形態を図１に概略的に示す。Ａ１とＡ２はこの流路を形成する壁面であり、この流路の一部により本発明のフロースイッチが構成される。流路の中央部にはフロースイッチに導入される試料液をバッファ液から分離する２つの隔壁Ｂ１，Ｂ２が配置されており、その隔壁Ｂ１，Ｂ２により試料導入口が画定され、その隔壁Ｂ１，Ｂ２間に試料液が導入される。隔壁Ｂ１と流路の隔壁Ａ１との間にバッファ導入口１０−１から第１のバッファ液が圧力又は流量が制御されて導入され、隔壁Ｂ２と流路の隔壁Ａ２との間にバッファ導入口１０−２から第２のバッファ液が流量又は圧力が制御されて導入される。
【００１３】
バッファ導入口１０−１から導入される第１のバッファ液流中には上流から下流方向に延在する仕切り壁１２−１が設けられ、バッファ導入口１０−２から導入される第２のバッファ液流中にも上流から下流方向に延在する仕切り壁１２−２が設けられており、これらの仕切り壁１２−１，１２−２によりバッファ液が段階的に試料液の流れを変化させる。
仕切り壁１２−１，１２−２としては、図１ではそれぞれ３枚ずつが配置されているが、仕切り壁の枚数は特に限定されない。
【００１４】
図１の例では、試料液は下流に設けられた２つの試料取得口１１−１，１１−２のうち、試料取得口１１−２に導かれるように、第１、第２のバッファ液流間の圧力差又は流量差が制御されている。このように段階的に試料液の流れを変化させることにより、試料液の希釈を抑制することができる。試料液を試料取得口１１−１に導く場合も同様である。
【００１５】
図１の例で、試料液とバッファ液とを分離する隔壁Ｂ１，Ｂ２の下流側の端を試料液がフロースイッチに流入する流入部とすると、試料液がフロースイッチに流入する流入部より上流側には試料液とバッファ液とを分離する隔壁Ｂ１，Ｂ２が存在しており、バッファ液流中の仕切り壁１２−１，１２−２はその隔壁Ｂ１，Ｂ２よりも下流側まで延在している。すなわち仕切り壁１２−１，１２−２は試料液の流入部よりも下流側まで延在している。
【００１６】
また、図１のように、仕切り壁１２−１，１２−２が各バッファ液の流れ中に２枚以上が配置されている場合、試料液に対して外側にある仕切り壁ほど下流側まで延在している。その場合、仕切り壁１２−１，１２−２は、内側にあるものも外側にあるものも上流側（入口側）の位置は同じであってもよいが、図１に示されているように、仕切り壁１２−１，１２−２の上流側の位置も試料液に対して外側にある仕切り壁ほど下流側になるようにずらして配置されていてもよい。その場合の１つの例は、仕切り壁は流れ方向の長さが全て等しいものである。
【００１７】
仕切り壁１２−１，１２−２がそれぞれ複数枚ずつを含んでいる場合に、図１のようにずらして配置するのは好ましいことである。その理由は、試料流の流れの方向を段階的に変化させるためには、バッファ液を段階的に作用させる必要があるが、仕切り壁１２−１，１２−２のそれぞれにおいて複数枚の仕切り壁の入口側の位置が揃っているよりも図１のようにずらして配置してある方がバッファ液が段階的に流入し、試料流に段階的に作用しやすくなるからである。
【００１８】
以下に、さらに詳しい実施例を図面に基づいて説明する。
図２はフロースイッチの一部を電子顕微鏡で観察した観察像を示したものである。基板に形成された流路の上側が試料液とバッファ液が流入する上流側であり、中央部に２枚の隔壁により画定された試料導入口１３があり、その両側にバッファ導入口１４−１，１４−２が画定されている。各バッファ導入口１４−１，１４−２には２枚ずつの仕切り壁１６が配置されている。ここでは、各バッファ導入口１４−１，１４−２の仕切り壁１６の数が２枚ずつであるが、上流側の構造は図１に示したものと同じである。流路の下流側には２つの試料取得口１５−１，１５−２が設けられている。
【００１９】
このフロースイッチ本体は、シリコン基板にフォトリソグラフィーとディープＲＩＥ（反応性イオンエッチング）により形成されたものである。このように形成されたシリコン基板の加工された側の表面にパイレックスガラス（登録商標）を陽極接合して、このフロースイッチが作製されている。
【００２０】
本発明のフロースイッチの試料液希釈について、コンピュータによる流体解析を行った結果を示す。解析ツールにはコベンター（Ｃｏｖｅｎｔｏｒ）社のコベンターウェア（Ｃｏｖｅｎｔｏｒ  Ｗａｒｅ）を用いた。試料液は蛍光物質であるフルオレセインの溶液とし、試料液の拡散係数はフルオレセインの拡散係数に相当する値（５×１０６ｃｍ２／ｃｍ）（非特許文献３参照。）を用いた。
【００２１】
まず、図３は従来のフロースイッチの解析結果を示したものである。（Ａ−１）は試料濃度の分布を色の濃淡で表示したものであり、そのＡ−Ａ線位置での断面における試料液の相対濃度プロファイルを（Ａ−２）に示している。試料導入口１７から試料取得口１９−１まで流れる間に試料液がバッファ導入口１８−１，１８−２からのバッファ液により希釈され、濃度が減少していることが分かる。試料液導入時の濃度を１とした場合の、試料取得口１９−１に流入した試料液の平均濃度は約０．９４である。
【００２２】
一方、図４（Ｂ−１），（Ｂ−２）は本発明によるフロースイッチにおける試料濃度の分布を示している。
そのフロースイッチの解析に当たって、パラメータを図５のように設定した。試料導入口２０を画定する２枚の隔壁の外側のバッファ導入口２１−１，２１−２からのバッファ液流中に２枚ずつの仕切り壁が配置され、それらの隔壁及び仕切り壁はいずれも厚さか５μｍで、４０μｍ間隔に配置されている。試料液とバッファ液とを分離する隔壁の下流側の端に対し、バッファ液流中の仕切り壁の下流側の端は、試料液流から遠去かるに従って５０μｍずつ下流側まで延在している。試料取得口２２−１，２２−２はそれぞれ２枚の壁面により確定され、試料取得口２２−１，２２−２の幅は４０μｍであり、その壁面は外側の方が上流側に張り出し、その外側の壁面とバッファ液流中の仕切り壁の外側の壁面とは流れの中心から同じ距離に配置され、両者の距離は９０μｍである。
【００２３】
図４は、図５のようにパラメータが設定されたフロースイッチにおける解析結果を示したものであり、（Ｂ−１）は試料濃度の分布を色の濃淡で表示したものであり、（Ｂ−２）はそのＡ−Ａ線位置での断面における試料液の相対濃度プロファイルを示したものである。試料取得口２２−１に流入した試料液の相対濃度はほぼ１．０であった。この結果は、従来のフロースイッチに比べ、バッファ液流中に仕切り壁を配置したことにより、試料液の希釈が抑制されることを示している。
【００２４】
【発明の効果】
以上に説明したように，本発明のフロースイッチでは、試料液の流れを段階的に変化させることにより、バッファ液による希釈を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの形態を示す概略平面図である。
【図２】一実施例の顕微鏡画像を示す斜視図である。
【図３】従来のフロースイッチの解析結果を示す図であり、（Ａ−１）は試料濃度の分布を色の濃淡で表示したもの、（Ａ−２）はそのＡ−Ａ線位置での断面における試料液の相対濃度プロファイルを表わしたものである。
【図４】一実施例のフロースイッチの解析結果を示す図であり、（Ｂ−１）は試料濃度の分布を色の濃淡で表示したもの、（Ｂ−２）はそのＡ−Ａ線位置での断面における試料液の相対濃度プロファイルを表わしたものである。
【図５】同実施例における解析のためのパラメータを示す平面図である。
【図６】従来のフロースイッチの概念を示す概略平面図である。
【図７】従来のフロースイッチにおける問題点を示す概略平面図である。
【符号の説明】
Ａ１，Ａ２      流路を形成する壁面
Ｂ１，Ｂ２      試料液とバッファ液から分離する隔壁
９，１３，２０      試料導入口
１０−１，１０−２      バッファ導入口
１１−１，１１−２，１５−１，１５−２，２２−１，２２−２      試料取得口
１２−１，１２−２，１６      仕切り壁
【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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