(57)【要約】【課題】  送液開始時に微細流路（チャネル）内の送液が所望の流量となるまでの時間を短縮し、送液停止時に微細流路内の送液が停止するまでの時間を短縮する送液方法を提供する。【解決手段】  一方の表面に所定の形状の流体用微細流路が配設された少なくとも一枚の基板と、該流体用微細流路を封止する対面基板とからなるマイクロチップにおいて、前記微細流路に液体を送液する方法であって、送液開始時に送液機器から所定の圧力を印加して液体を送出し、設定圧力に達した後、所定の速度で一定の流量を送液することからなり、送液終了時に、所定の速度で一定の流量を送液しているときに送液圧力をゼロ又はその近傍値にまで低下させることを特徴とするマイクロチップの微細流路における液体送液方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の表面に所定の形状の流体用微細流路が配設された少なくとも一枚の基板と、該流体用微細流路を封止する対面基板とからなるマイクロチップにおいて、前記微細流路に液体を送液する方法であって、送液開始時に送液機器から所定の圧力を印加して液体を送出し、設定圧力に達した後、所定の速度で一定の流量を送液することからなることを特徴とするマイクロチップの微細流路における液体送液方法。
【請求項２】
一方の表面に所定の形状の流体用微細流路が配設された少なくとも一枚の基板と、該流体用微細流路を封止する対面基板とからなるマイクロチップにおいて、前記微細流路に液体を送液する方法であって、送液終了時に、所定の速度で一定の流量を送液しているときに送液圧力をゼロ又はその近傍値にまで低下させることを特徴とするマイクロチップの微細流路における液体送液方法。
【請求項３】
一方の表面に所定の形状の流体用微細流路が配設された少なくとも一枚の基板と、該流体用微細流路を封止する対面基板とからなるマイクロチップにおいて、前記微細流路に液体を送液する方法であって、
送液開始時に送液機器から所定の圧力を印加して液体を送出し、設定圧力に達した後、所定の速度で一定の流量を送液し、
送液終了時に、所定の速度で一定の流量を送液しているときに送液圧力をゼロ又はその近傍値にまで低下させる、
ことを特徴とするマイクロチップの微細流路における液体送液方法。
【請求項４】
送液機器はプランジャーを備えたマイクロポンプ、シリンジを備えたシリンジポンプ又はピストンを備えたピストンポンプであることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の液体送液方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロチップなどに形成された微細流路（チャネル）内に液体を微小流量で流す送液機器の送液方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、マイクロスケール・トータル・アナリシス・システムズ（μＴＡＳ）又はラブ・オン・チップ(Lab-on-Chip)などの名称で知られるように、基板内に所定の形状の流路を構成するマイクロチャネル及びポートなどの微細構造を設け、該微細構造内で物質の化学反応、合成、精製、抽出、生成及び／又は分析など各種の操作を行うことが提案され、一部実用化されている。このような目的のために製作された、基板内にマイクロチャネル及びポートなどの微細構造を有する構造物は総称して「マイクロチップ」と呼ばれる。
【０００３】
マイクロチップは遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニング及び環境モニタリングなどの幅広い用途に使用できる。常用サイズの同種の装置に比べて、マイクロチップは(1)サンプル及び試薬の使用量が著しく少ない、(2)分析時間が短い、(3)感度が高い、(4)現場に携帯し、その場で分析できる、及び(5)使い捨てできるなどの利点を有する。
【０００４】
マイクロチップの材質や構造及び製造方法は例えば、特許文献１、特許文献２及び非特許文献１などに提案されている。従来のマイクロチップ１００は、例えば、図６に示されるように、合成樹脂（例えば、ポリジメチルシロキサン又はアクリル樹脂）などの基板１０２に少なくとも１本のチャネル１０４が形成されており、このチャネル１０４の少なくとも一端には入出力ポートとなるべきウェル１０６が形成されており、基板１０２の下面側に透明又は不透明な素材（例えば、ガラス又は合成樹脂フィルム）からなる対面基板１０８が接着されている。この対面基板１０８の存在により、ウェル１０６及びチャネル１０４の底部が封止される。
【０００５】
入出力ポート用のウェル１０６の主な用途は試薬やサンプルの注入である。図７に示されるように、ウェル１０６にチューブ又はキャピラリ１１２を接続することによりチャネル１０４へ液体を送入する。チューブ又はキャピラリ１１２は専用フィッティング１１４により着脱可能に取付られる場合の他、ウェル１０６に対して接着剤などで固定する場合もある。チューブ又はキャピラリ１１２の他端は送液機器（図示されていない）に接続されている。
【０００６】
マイクロチップなどの幅が数十μｍから数百μｍのオーダーのチャネル（微細流路）に、０．１μＬ／分オーダーの微小流量を流す用途は、これまであまり類がない。そのため、そこで使われる送液機器としては、既存の単純なシリンジポンプや、液体クロマトグラフィー用に開発された高性能マイクロポンプシステムを援用する場合が多く見られる。
【０００７】
シリンジポンプを用いる場合、そこに使うシリンジの内径を小さなものに選定することで、微小流量に対応させている。しかし、流量精度は低く、一定流量を流すだけの単機能で流体の圧力を制御するなどの機能は持たない。
【０００８】
一方、液体クロマトグラフィー用の高性能マイクロポンプシステムは、微小流量領域でも高い流量精度を達成するように開発された高価な機器である。しかし、液体クロマトグラフィーでは長時間一定流量で流し続けることが目的である。そのため、高性能マイクロポンプシステムも、送液の開始時や停止時の流量の不安定さに対する考慮はなされていない。
【０００９】
また、試薬又はサンプルなどの液体をマイクロポンプなどの送液機器でマイクロチップのチャネルに送液するには、デッドボリュームや容積・体積変化などの様々な問題点も存在する。例えば、マイクロポンプ等の送液機器とマイクロチップ等のチャネルまでを接続する配管の容積は、実際に液体を流すチャネルの容積に対して極めて大きなものとなる。先ず、物理的に送液機器とマイクロチップという別々の或る大きさを有する物体間を繋ぐため、管路長が長くなり、例えば、チャネル断面を幅１００μｍ、深さ３０μｍの矩形とし、数百ｍｍといった長さになる。また、配管内断面もチャネルに比べると遙かに大きくならざるを得ない。その結果、配管容積を液体（例えば、試薬又はサンプル）で満たすまでに多くの時間を要する。例えば、管路長を１００ｍｍ、管路断面をチャネル断面の１０倍と仮定しても、０．１μＬ／分の流量では約３０分必要である。この問題を解決するには、例えば、配管容積を満たすまでの流量を大きくし、チャネルに流れ始める時に所望の流量に切り替える手段が考えられる。しかし、切り替える時間的なタイミングを決めることが難しく、自動化も困難である。また、誤って大きな流量をチャネルに流すと、大きな圧力上昇を起こし、送液機器やチャネルそのものを破損する危険がある。
【００１０】
また、配管やチャネルが全て液体で満たされている状態においても、送液に伴う液体の圧力変動によって、配管やチャネルの容積は変化する。更に、配管内壁や液体内に混在する僅かな気体の体積変化も発生する。これらの容積変化や体積変化は、微細なチャネルにとっては非常に大きなものとなる。従って、送液機器の送液を一度停止した後、再び開始すると、その吐出流量又は吸引流量はそのまま即チャネル内の流量とは一致せず、流体圧力が安定し、チャネル内の流量が送液機器の流量に一致するまでに長い応答遅れを生じる。その傾向はチャネルが一層微細になるほど、また、流量が一層小さくなるほど顕著である。
【００１１】
前記のような問題は同様に、送液を停止する場合にも生じる。送液機器の送液を停止しても、チャネル内の流れは直ちに停止することはなく、送液機器内及び管路内、チャネル内の液体の圧力が解放されるまで、徐々に流量が小さくなり、或る遅れをもって流れは停止する。その結果、徐々にサンプルや試薬などを無駄に消費してしまうこととなる。
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−１５７８５５号公報
【特許文献２】米国特許第５９６５２３７号明細書
【非特許文献１】David C. Duffy et al., Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane), Analytical Chemistry, Vol.70, No.23, December 1, 1988, pp.4974-4984
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従って、本発明の目的は、送液開始時にチャネル内の送液が所望の流量となるまでの時間を短縮する送液方法を提供することである。
本発明の別の目的は、送液停止時にチャネル内の送液が停止するまでの時間を短縮する送液方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記課題を解決するための手段として、請求項１に係る発明の特徴は、一方の表面に所定の形状の流体用微細流路が配設された少なくとも一枚の基板と、該流体用微細流路を封止する対面基板とからなるマイクロチップにおいて、前記微細流路に液体を送液する方法であって、送液開始時に送液機器から所定の圧力を印加して液体を送出し、設定圧力に達した後、所定の速度で一定の流量を送液することである。
【００１５】
前記課題を解決するための手段として、請求項２に係る発明の特徴は、一方の表面に所定の形状の流体用微細流路が配設された少なくとも一枚の基板と、該流体用微細流路を封止する対面基板とからなるマイクロチップにおいて、前記微細流路に液体を送液する方法であって、送液終了時に、所定の速度で一定の流量を送液しているときに送液圧力をゼロ又はその近傍値にまで低下させることである。
【００１６】
前記課題を解決するための手段として、請求項３に係る発明の特徴は、一方の表面に所定の形状の流体用微細流路が配設された少なくとも一枚の基板と、該流体用微細流路を封止する対面基板とからなるマイクロチップにおいて、前記微細流路に液体を送液する方法であって、
送液開始時に送液機器から所定の圧力を印加して液体を送出し、設定圧力に達した後、所定の速度で一定の流量を送液し、
送液終了時に、所定の速度で一定の流量を送液しているときに送液圧力をゼロ又はその近傍値にまで低下させる、
ことである。
【００１７】
前記課題を解決するための手段として、請求項４に係る発明の特徴は、前記請求項１〜３に記載の発明において、送液機器はプランジャーを備えたマイクロポンプ、シリンジを備えたシリンジポンプ又はピストンを備えたピストンポンプであることである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は従来のプランジャーを備えたマイクロポンプを使用しても、送液開始時に所定の圧力を印加し、設定圧力に達したら所定速度でプランジャーを駆動させることにより送液開始時に微細流路（チャネル）内の送液が所望の流量となるまでの時間を短縮することができ、また、送液停止時にプランジャーを後退させて送液圧力をゼロにすることにより送液停止時に微細流路（チャネル）内の送液が停止するまでの時間を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら本発明の送液方法の好ましい実施態様について具体的に説明する。
【００２０】
図１は本発明の送液方法を実施するのに使用される微小流量用の送液機器の一例の部分概要斜視図であり、図２はその部分概要断面図である。本発明の送液方法を実施するのに使用される微小流量用の送液機器は例えば、プランジャー式のマイクロポンプ１である。プランジャー駆動部３は、例えばステッピングモータとスクリュー・ナット機構（図示されていない）によりプランジャー５の進退移動を行う。接液部７は流体を溜めるのに必要十分な容積を有し、その中をプランジャー駆動部３からシールされたプランジャ５の先端が進退する。接液部７の一部には第１のポート９が設けられており、この第１のポート９の先端には配管１１が接続されている。この配管１１を介して液体が送液される。送液時の圧力を検出するために、接液部７には圧力検出器１３を接続することができる。図２において、接液部７には第２のポート１５が配設されている。この第２のポート１５は、接液部７内に流体を注入したり、不要な空気を抜いたりするために使用されるばかりか、実際に送液する場合には栓をしたり、圧力検出器１３を接続したりするために使用される。
【００２１】
図３は本発明の送液方法が実施されるマイクロチップの一例の概要斜視図である。本発明の送液方法が実施される流路は微細であれば特に限定されない。例えば、液体クロマトグラフィーに用いられるフューズドシリカキャピラリ等でもよい。但し、本発明の送液方法は０．１μＬ／分オーダーの微小流量で特に効果があり、その用途としては図３に示されるようなマイクロチップ２０内の微細流路（チャネル）２２が特に適している。
【００２２】
図３において、マイクロチップ２０はＹ字形のチャネル２２を有する。サンプルホール２４と試薬ホール２６は配管１１によりそれぞれ別々のマイクロポンプ１（図１又は図２参照）に接続し、マイクロポンプ１よりサンプルと試薬がマイクロチップ２０内のチャネル２２内に送液される。送液されたサンプルと試薬はＹ字形のチャネルの合流部付近で混合され、所望の化学反応を起こさせる。その様子は顕微鏡（図示されていない）などで観察することができる。このような形状のマイクロチップの場合、サンプルと試薬の混合割合を一定に保つために、それぞれの流量は正確に制御されたものでなければならない。符号２８は廃液ホールを示す。
【００２３】
具体的には、チャネル２２の断面が縦３０μｍ、横１００μｍの長方形で、管路長が数十ｍｍ程度であり、サンプル及び試薬の流量がそれぞれ０．１μＬ／分である場合、この時のチャネル２２内の流速は、混合前でサンプル及び試薬がそれぞれ約５６０μｍ／秒、混合後で約１．１μｍ／秒であり、この送液に必要な圧力は、サンプル及び試薬の粘度がそれぞれ１ｃｐ（センチポアズ、水とほぼ同等）の場合、それぞれ数ＫＰａ程度である。但し、マイクロポンプ１とマイクロチップ２０を繋ぐ配管１１は、マイクロチップ２０内のチャネル２２に比べて、管路断面が十分に大きく、その配管抵抗は無視しうるものとする。
【００２４】
図１及び図２に示されるマイクロポンプ１を用いて、図３に示されるマイクロチップ２０のチャネル２２に液体を送液する場合、大きく流量送液と圧力送液に分けられる。流量送液とは、液体を目的の一定流量で送液するものであり、圧力送液とは、液体を目的の一定圧力値で送液するものである。
【００２５】
図１及び図２に示されるマイクロポンプ１を用いて流量送液を行う場合、前もってプランジャ５の先端部を接液部７内のプランジャー駆動部３側の端面（吸引端）まで移動しておく。第１のポート９とマイクロチップ２０の対象ホール２４又は２６を配管１１で繋ぐ。第２のポート１５により液体を接液部７内に注入した後、第２のポート１５に栓をする。この状態でプランジャー５を一定速度で接液部７の先端（吐出端）方向で移動させる。プランジャー５の移動に伴い、接液部７内から押し出される液体は、配管１１を介して目的のホール２４又は２６からチャネル２２内に送液される。この時、例えば、０．１μＬ／分の流量を達成するためには、それに応じたプランジャー速度となるようにプランジャー駆動部を制御する。仮に、プランジャー５の外径がφ３ｍｍとすると、約１５μｍ／分の速度でプランジャー５が移動すれば、０．１μＬ／分の流量となる。
【００２６】
圧力送液では、液体の圧力を検出し、その圧力が目的の圧力になるようにプランジャーの位置を制御する。そのためには圧力検出器が必要となり、図１及び図２の例では第２のポート１５に接続している。図１及び図２に示されるマイクロポンプ１を用いて圧力送液を行う場合、図４に示すような制御ブロック図に基づくフィードバック制御を行う必要がある。予め目的の圧力値を制御回路３０に入力しておく。制御回路３０は目標値と圧力検出器１３の圧力検出値３２との差に応じ、その差が小さくなるような制御信号３４を駆動回路３６に送信する。駆動回路３６は制御信号３４に基づきマイクロポンプ１のプランジャー５（図２参照）を駆動する。マイクロポンプ１のプランジャー５が駆動された結果、液体の圧力変化が生じ、それに従ってまた制御回路３０が動作する。この閉ループ動作を例えば、１０ミリ秒（ｍｓ）といった時間間隔で繰り返し制御する。
【００２７】
圧力送液中は結果的に、どの程度の流量で送液されるかは不確定となる。吐出側に移動する場合も、逆に吸引側に移動する場合も有り得る。管路破損を考慮して、流量限界値を設定する場合もある。この圧力送液は流量送液に比べてあまり一般的ではない。単に送液と言えば、流量送液を示す。圧力送液は一部の高機能なマイクロポンプシステムで、流量送液の他に、「一定圧モード」などの名称で補助的な機能として具備されている程度である。
【００２８】
本発明の送液方法によれば、送液開始時に先ず圧力送液を行う。その場合の目標圧力は、所望の流量が定常的に流れている時の圧力か、その近傍の値に設定する。具体的には、前もって送液中の圧力を測定するか、経験値を用いることが好ましい。
【００２９】
圧力送液制御中は目標圧力に達しようと大きな流量が流れ（流量限界値が有る場合は、所望の流量より十分大きく設定する）、マイクロポンプ１とチャネル２２間の配管１１を満たし、管路容積の増大や混在気体体積の縮小を短時間で補っていく。液体が目的のチャネル２２に流れ始めると、液体の圧力が大きく上昇する。そして、目標圧力に達した後は所望の流量による流量送液に切り替える。
【００３０】
本発明の送液方法は、送液開始時より一定の流量で送液を開始する従来の方法に比べて遙かに短時間でチャネル内の流量を所望の流量とすることができる。また、圧力送液中の圧力制御（フィードバック制御）を適切に行うことにより、圧力のオーバーシュート（目標圧力を瞬間的に超えること）が防止され、過大な流量によるチャネルの破損を防ぐことにもなる。
【００３１】
本発明の送液方法によれば、チャネル内に或る流量で送液している状態から送液を停止する時、先ず目標圧力をゼロか又はその近傍の値に設定した圧力送液を行う。マイクロポンプ１は送液時に発生していた圧力をゼロにする動作を行う。例えば、吐出送液をしていた場合は正圧になっているため、マイクロポンプ１は吸引動作を行うことにより圧力を下げようとする。そして、圧力が目標圧力のゼロかその近傍の値に達したらマイクロポンプの送液を停止する。具体的には、マイクロポンプ１を逆回転させてプランジャー５を後退させることにより配管１１内及びチャネル２２内の圧力を極めて短時間でゼロに低下させることができる。これによりチャネル２２内の液体の流れは即座に停止する。
【００３２】
本発明の送液方法は、送液停止時に送液を停止させてもなかなか完全に送液を停止させることができない従来の方法に比べて、遙かに短時間でチャネル内の送液を完全に停止させることができる。その結果、サンプルや試薬などを無駄に消費しなくなるばかりか、分析の正確性も向上される。
【実施例１】
【００３３】
（１）送液開始時の時間遅れの検証実験
図５に示されるようなＹ字形のチャネルを有するマイクロチップを用いて実験した。Ｙ字形のチャネル２２−１、２２−２はそれぞれ幅が１００μｍで深さが２５μｍであり、合流チャネル２２−３は幅が２００μｍで深さが２０μｍである。Ｙ字形チャネル２２−１及び２２−２に２種類の異なる液体を流して合体であせる。その２液はチャネル内で呈する流れの特性が等しく、かつ、２液の界面が観察できるものを選択する。具体的には粘性が１ｃｐ（センチポアズ）で等しい赤インクと青インクを用い、その界面は色で判別した。
図５（Ａ）は、赤インクと青インクのどちらの液も０．１μＬ／分で安定的に流れている状態を示す図である。２液の界面は合流後の合流チャネル２２−３の中央にくっきりと形成される。これは合流チャネル２２−３における液体の流れが層流を維持し、乱流とはなり難く、その結果、２液がなかなか混合されないためである。
仮に、２液の流量（又は流速）に差があると、例えば、図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）に示すように、２液の界面は合流後の合流チャネル２２−３内で一方に偏ることになる。また、２液の流量が不安定であれば、それに伴い界面もふらふらと移動するのが観察される。２液の送液開始から合流後の２液界面が安定するまでの時間を測定することで、送液開始時に所望の流量に達するまでの時間遅れが測定できることになる。
比較実験は次のように行った。
マイクロチップとマイクロポンプとの間を透明なテフロン（登録商標）製のチューブで接続し、前もって目視で確認しながら大きな流量（１０μＬ／分）により、マイクロチップのポート直前までテフロン製チューブ内をそれぞれの液（赤インク、青インク）で満たす。その上で、それぞれの液を０．１μＬ／分の流量設定にて同時にマイクロポンプの送液を開始し、Ｙ字形チャネルの合流部分の画像をビデオに記録する。十分な時間が経過した後に、記録したビデオ画像を再生して調べ、合流部分の２液の界面が恒常的に安定した時点を探し出し、送液開始からの時点までの時間を測定する。
蒸気の実験を従来の送液方法（最初から０．１μＬ／分の一定流量で送液を行う方法）と本発明による送液方法（最初に圧力設定５ＫＰａで圧力送液を行った後、０．１μＬ／分の流量送液に切換える方法）とで行い、それぞれの時間遅れを測定した。その結果、従来の送液方法では１時間を超える時間遅れがあったのに対し、本発明による送液方法では１０分前後で安定した送液が得られた。
（２）送液停止時の時間遅れの検証実験
前記の２液合流で０．１μＬ／分の一定流量で安定した流れが発生している状態から、マイクロポンプの送液を２液同時に停止させ、合流部分のビデオ画像を観察して流れが停止した時点を探し出し、送液停止時の時間遅れを測定した。
従来の方法（単にマイクロポンプを即時停止させる方法）と本発明による方法（最初に設定圧０ＫＰａで圧力送液を行った後、マイクロポンプを停止させる方法）とを比較したところ、従来の方法では、１０分を超える時間遅れがあったのに対し、本発明による方法では２分前後で流体の流れが停止した。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の送液方法は微細流路（チャネル）内に液体を送液しなければならない用途であれば、前記のマイクロチップに限らず、全ての用途に対して適用可能である。例えば、キャピラリ液体クロマトグラフ、キャピラリ電気泳動、医用・診断試薬測定機器での送液、分析機器での試薬・血清などの送液・分注などにも使用できる。また、送液機器としては、前記のプランジャー式のマイクロポンプに限らず、シリンジ式のシリンジポンプ又はピストン式のピストンポンプを使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の送液方法を実施するために使用される微小流量用の送液機器の一例の部分概要斜視図である。
【図２】図１に示された送液機器の部分概要断面図である。
【図３】本発明の送液方法が実施されるマイクロチップの一例の概要斜視図である。
【図４】図１に示されるマイクロポンプを用いて圧力送液を行う場合の制御ブロック図である。
【図５】Ｙ字形のチャネルを有するマイクロチップにおいて、異なる２液を同じ流量で流した時と、異なる流量で流した時の状態を示す模式図である。
【図６】従来のマイクロチップの一例の概要断面図である。
【図７】図６におけるマイクロチップのオープンウエルに液体を分注する一例の部分概要断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  マイクロポンプ
３  プランジャー駆動部
５  プランジャー
７  接液部
９  第１のポート
１１  配管
１３  圧力検出器
１５  第２のポート
２０  マイクロチップ
２２  微細流路（チャネル）
２４  サンプルホール
２６  試薬ホール
３０  制御回路
３２  圧力検出信号
３４  制御信号
３６  駆動回路
【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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