(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する基板の当接部にマイクロビーズが流通する微小流路を構成したマイクロチップにスライドする弁体で構成されるバルブ機構を設け、前記弁体のスライドにより微小流路の断面積を可変にして微小流路内のマイクロビーズの流れを制御する微小流路内のマイクロビーズの流れの制御方法であって、前記マイクロビーズを前記弁体で堰き止めた状態で前記微小流路内に洗浄液を流して前記マイクロビーズを洗浄することを特徴とする微小流路内のマイクロビーズの流れの制御方法。
【請求項２】
対向する基板の当接部にマイクロビーズが流通する微小流路を構成したマイクロチップにスライドする弁体で構成されるバルブ機構を設け、前記弁体のスライドにより微小流路の断面積を可変にして微小流路内のマイクロビーズの流れを制御する微小流路内のマイクロビーズの流れの制御方法であって、径の異なるマイクロビーズの混合物を前記微小流路に流通させ、前記弁体のスライドによって径の違いによりマイクロビーズを分別することを特徴とする微小流路内のマイクロビーズの流れの制御方法。
【請求項３】
モーターの回転によってネジ機構またはボール・スクリュー機構を介しての弁体のスライドが行われるバルブ機構を具備することを特徴とする請求項１または２の微小流路内のマイクロビーズの流れの制御方法。
【請求項４】
パルス数および／またはパルス頻度によってステッピングモータの動きの位置（座標）や速度を制御することを特徴とする請求項３の微小流路内のマイクロビーズの流れの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、微小流路内のマイクロビーズの流れの制御方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、微小流路の断面積を可変として、マイクロビーズがバルブ機構により微小流路内で堰き止め可能とされている新しい微小流路内のマイクロビーズの流れの制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ガラス等の基板表面にリソグラフィー等の微細加工技術によって深さ１００μｍ、幅５００μｍ程度までの大きさの溝を形成して、この溝を液体によるマイクロビーズ等の固形試料の流路としたマイクロチップが知られている。
【０００３】
このマイクロチップにおいては、微小流路での固形試料の流れを制御することが重要な課題の一つであって、これまでにも、微小流路内に固定した堰き止め構造を設ける方法（たとえば文献１）が知られている。
【０００４】
しかしながら、従来の微小流路内に固定した堰き止め構造を設ける方法には、以下のような問題点があった。
【０００５】
すなわち、この方法は、ダムや微小な柵や柱のような構造体を微小流路中に作り込み、微小流路中の流れを制御したり、その流れや構造体自体によってマイクロビーズを堰き止めることによってマイクロビーズの輸送を制御する方法であって、マイクロビーズの制御が固定的で確実であるという利点を有している。しかしながら、溜まったマイクロビーズを取り去るためには、流す液体を逆流させる必要があることや、径の異なるマイクロビーズに可変的に対応できないこと、作製が高コストであることという欠点があった。また、常に液体が抵抗を受けて流れにくいため、強力なポンプが必要であるという問題があった。
【０００６】
また、ダイヤフラムを気体や液体によって駆動することにより、微小流路そのものを塞ぐ方法も知られている（文献２）。この方法には、簡便で、ダイヤフラムが微小流路と密着可能な構造を作り混むことにより、微小流路を完全に塞ぐことも可能であるという利点がある。しかし、ダイヤフラムの動きを制御することが難しいため、液体の逆流が避けられないこと、微小流路の設計に制約があるという欠点がある。
【０００７】
【文献】
〔１〕A.Russom et al.(2002) Proceedings of the microTAS 2002 symposium, Nara, pp.218-220.
〔２〕K.Ikuta et al.(2002) ibid,pp.37-39.
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで、この出願の発明は、以上のような従来技術の問題点を解消し、微小流路の断面積を可変とし、微小流路内での精製操作や合成反応、免疫反応のための試薬担体等として有用なマイクロビーズの流れを高精度に制御することを可能とした、新しい微小流路内のマイクロビーズの流れの制御方法を提供することを課題としている。
【０００９】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、対向する基板の当接部にマイクロビーズが流通する微小流路を構成したマイクロチップにスライドする弁体で構成されるバルブ機構を設け、前記弁体のスライドにより微小流路の断面積を可変にして微小流路内のマイクロビーズの流れを制御する微小流路内のマイクロビーズの流れの制御方法であって、前記マイクロビーズを前記弁体で堰き止めた状態で前記微小流路内に洗浄液を流して前記マイクロビーズを洗浄することを特徴とする微小流路内のマイクロビーズの流れの制御方法を提供する。第２には、対向する基板の当接部にマイクロビーズが流通する微小流路を構成したマイクロチップにスライドする弁体で構成されるバルブ機構を設け、前記弁体のスライドにより微小流路の断面積を可変にして微小流路内のマイクロビーズの流れを制御する微小流路内のマイクロビーズの流れの制御方法であって、径の異なるマイクロビーズの混合物を前記微小流路に流通させ、前記弁体のスライドによって径の違いによりマイクロビーズを分別することを特徴とする微小流路内のマイクロビーズの流れの制御方法を提供する。
【００１０】
そして、この出願の発明は、第３には、モーターの回転によってネジ機構またはボール・スクリュー機構を介しての弁体のスライドが行われるバルブ機構を具備することを特徴とする微小流路内のマイクロビーズの流れの制御方法を、第４には、パルス数やパルス頻度によってステッピングモーターの動きの位置（座標）や速度を制御することを特徴とする微小流路内のマイクロビーズの流れの制御方法を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１３】
この出願の発明の微小流路内のマイクロビーズの流れの制御方法においては、前記のとおり、対向する基板の当接部にマイクロビーズが流通する微小流路を構成したマイクロチップにスライドする弁体で構成されるバルブ機構を設け、前記弁体のスライドにより微小流路の断面積を可変にして微小流路内のマイクロビーズの流れを制御することを特徴としている。すなわち、その基本は、ガラスやシリコン、樹脂等の基板上へ集積化したマイクロチップに搭載するバルブ機構の構造として、微小流路断面を空間的に遮断して、あるいは空間的に完全に遮断せずに微小流路の断面積を可変として微小流路中のマイクロビーズを完全に、もしくは部分的に堰き止めることを可能としている。
【００１４】
これらのことを可能とするこの出願の発明においては、スライドする弁体を用いている。
【００１５】
スライドされる弁体としては、その機構は各種のものであってよいが、たとえば好適なものとして、モーターの回転によってネジ機構またはボール・スクリュー機構を介しての弁体のスライドが行われるバルブ機構が提供される。
【００１６】
この場合の弁体としては、微小流路に内挿される突起であることや、ダイヤフラムとこれを押し引きする突起であることが考慮される。
【００１７】
より詳しく説明すると、微小流路の断面積を可変するためには、弁の微小運動が必要である。大きさがサブミリメーター・レベルの微小流路の場合には、弁を直線前後に運動させれば微小流路の断面積を可変することが可能となる。弁の直線前後運動の実現の方法には、回転式モーターの回転運動を直線前後運動に変換して用いる方法と圧電素子やボイスコイル等を用いて直線前後運動を直接行う方法があるが、後者の圧電素子等を用いる方法は高コストであるため、前者の方が一般的と考えることができる。そこで、前者の方法を用いてバルブ機構を説明すると、弁の直線前後運動によって微小流路の断面積を可変するためには、弁によって遮られた微小流路の隙間を弁の運動によって可変にすればよい。そして、断面積を任意に制御するためには、弁を細かく制御して動かし、その隙間を制御すればよい。これは、たとえば、入力パルスによって回転量を制御可能なステッピング・モーターを回転式モーターとして用いれば好適に実現できる。回転運動を直線前後運動に変換するためには、ネジ式またはボール・スクリュー式を利用することができる。図１は、ネジ式の場合の模式図であり、図２は、ボール・スクリュー式の場合の模式図である。微小流路を任意に分割する弁の直線前後運動を実現するための弁の微小な直線前後運動は、ネジ式の場合はネジの切りの細かさで、ボール・スクリュー式の場合はスクリューの切りの細かさとボールの小型化で実現できるし、ステッピング・モーターに減速ギアを加えることによっても可能である。軸を１回転させた時のネジの前後進距離をリードとすることができる。そしてまた、ステッピングモーターへのパルスを制御できる制御ボード内蔵のＰＣや制御システムを用いることで、微小な直線前後運動の位置（座標）や速度を自在にコントロールすることができ、これによって、任意の運動パターンを実現することができる。
【００１８】
これらの動作機構をもって、ネジまたはボール・スクリューの先端部に設けた突起が微小流路内に内挿され、その直線前後運動によって、微小流路の断面積を可変とすることができる。
【００１９】
なお、弁の形状は微小流路の形状と完全に合致している必要はない。
【００２０】
このようなネジ式またはボール・スクリュー式を利用することによって、弁の運動の速度制御が容易となる。弁の速度制御により、微小流路内への弁の内挿による流れの乱れは制御される。そして、微小流路の断面積の急激な変化による液体の逆流を防ぐことができる。
【００２１】
そして、弁の内挿による微小流路の断面積の変化によって微小流路中のマイクロビーズの輸送を制御することが容易となる。
【００２２】
微小流路の断面積が減少する場合には、液体の流れの抵抗が増加し、弁による微小流路の堰き止めによる流れのよどみのため、マイクロビーズが輸送されにくくなり、マイクロビーズの輸送速度は低下する。断面積を更に減少させるとマイクロビーズの輸送速度は更に低下し、マイクロビーズは静止する。その時、微小流路の断面積がマイクロビーズの直径以下の場合にはマイクロビーズは弁によって完全に堰き止められる。
【００２３】
逆に、微小流路の断面積が増加する場合には、液体の流れの抵抗は低下し、微小流路内での流れのよどみが減少するため、マイクロビーズは微小流路中を輸送され、弁の部分を通過する。
【００２４】
弁の直線前後運動によって微小流路の断面積の増加と減少を自在に可変できるため、マイクロビーズの輸送の制御を弁の運動による断面積の変化によって簡単に行うことができる。微小流路内でマイクロビーズを堰き止めるために、ダムのような堰き止め構造体を形成した場合には、微小流路内に常に流れの抵抗があるため、マイクロビーズの輸送のためには高コストな強力なポンプが必要であるが、この出願の発明のバルブ機構を用いる方式ではシリンジポンプのような微力なポンプで充分である。
【００２５】
そして、弁の運動によって微小流路の断面積を増加させれば、再び流れのよどみが減少するため、堰き止められたマイクロビーズを順方向に排出することができる。これにより、微小流路内で液体中の不純物等によって汚れたマイクロビーズを簡単に排出することができ、新しいマイクロビーズの補給も容易に行うことができる。また、マイクロビーズを弁の運動によって微小流路内に堰き止めた後に、純物質や洗浄液等の液体を微小流路内を流すことによって、堰き止めたマイクロビーズを洗浄することが可能である。
【００２６】
同じ比重であれば、径の小さいマイクロビーズほど、微小流路中を輸送されやすい。そこで、径の異なるマイクロビーズの混合物を微小流路中に注入し、弁を制御することによって、径の違いによるマイクロビーズの分別が可能である。また、比重の違いによっても同様に分別できる。
【００２８】
マイクロチップバルブ構造体として微小流路への突起を内挿させる機構のものは、弁となる突起を微小流路に内挿するのに、マイクロリアクター・チップのバルブ機構の取り付け面から微小流路まで通じた穴を空けるだけで済み、工作が簡単で低コストであるという優れた利点を有している。
【００２９】
穴の径は弁となる突起に合致させればよい。この穴からの液体の漏れの防止は、突起を囲むｏ−リング等により容易に行える。
【００３０】
また、ペルチェやジュール・トムソン素子、ヒーター等を弁体に接触させることによって、微小流路中の堰き止め空間の温度を自在に可変とすることも可能であり、微小流路中の物理環境や化学反応（変化）を制御することができる。
【００３１】
たとえば具体的に、市販の部品を使って、ボーリ・スクリュー式でバルブ機構を実現する場合について例示説明すると、減速比２９２分の１の減速ギアを取り付けた回転式ステッピング・モーターとしてＥ−ＨＭ０５０８（セイコーインスツルメンツ）、ボール・スクリューとしてＦＢＳ０１８０．５Ａ（ケーエスエス）を用い、図２に示されたバルブ機構を実現することができる。このボールスクリューのリードは０．５ミリメーターであるので、ボール・スクリュー１回転（３６０度）で、５００ミクロンメーター前後進する。ステッピング・モーターはステップ当たり６０度回転するので、２９２分の１の減速ギアによって、０．２度回転する。ステッピング・モーターが０．２度回転した時はボール・スクリューの前後進は約０．２８ミクロンメーターとなる。ステッピング・モーターの遊びを仮に３ステップと見込んでも、約０．８３ミクロンメーターのステップでボール・スクリューの前後進が可能である。従って、ボール・スクリューの軸の先端に突起を設け、微小流路に内挿した場合、ステッピング・モーターの駆動によって、１ミクロンメーター程度の直線前後進運動を弁である突起が行い得る。対象とされる微小流路の径は数十から数百ミクロンメーターであるので、設計されたバルブ機構は微小流路の断面積を分割可能である。そして、たとえば、マイクロビーズの径は、通常、１−１０００ミクロンメーターであるので、突起の前後進運動によって、微小流路中のマイクロビーズの輸送を制御することができる。
【００３２】
また、弁として突起とダイヤフラムの組み合わせを用いる場合には、ネジまたはボール・スクリューの先端部がその直線前後運動によってダイヤフラムを押したり引いたりすることによって微小流路の断面積を可変することができる。つまり、弁が突起とダイヤフラムの組み合わせの場合もダイヤフラムの運動距離は弁として突起を微小流路に内挿する場合と同等なので、突起の先端にダイヤフラムを加えればよい。図３は、ダイヤフラムを用いた場合のネジ式のバルブ機構の模式図を示したものである。
【００３３】
たとえば具体的にボール・スクリューと一体化されたステッピング・モーター（コパル）を用いて、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）の重合体よりなるシートをダイヤフラムとして用い、弁の運動を確かめたところ、ステッピング・モーターのボール・スクリュー部の軸の直線前後進によりダイヤフラムも前後に運動し、突起とダイヤフラムの組み合わせでバルブ機構が可能であることがわかった。
【００３４】
また、この出願の発明においては、必要に応じて複数のバルブ機構を１つのマイクロチップに搭載することができる。複数のバルブ機構は、同種または異種の機構であってよく、同一の微小流路に配置してもよいし、あるいは、別異の流路に配置してもよい。さらには、マイクロチップの両面に配置することや、１つのバルブ機構に複数の弁を持たせることも可能である。
【００３５】
以上の例示説明においては、モーター回転のための電源装置やその機構については説明を省略しているが、適宜に配置されることは言うまでもない。また、マイクロチップにおける基板や微小流路についての様々な形態、それらの組合わせについても説明を省略しているが、様々に可能とされることは言うまでもない。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、微小流路の断面積を可変として、マイクロビーズの堰き止めを可能とした、新しい微小流路内のマイクロビーズの流れの制御方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ネジ式の突起バルブ機構について例示した模式図である。
【図２】ボール・スクリュー式の突起バルブ機構について例示した模式図である。
【図３】ネジ式のダイヤフラムバルブ機構を例示した模式図である。
【図１】
0004785336.tif 000002
【図２】
0004785336.tif 000003
【図３】
0004785336.tif 000004