(57)【要約】【課題】気体が混入することなく一定量の液体の注入が行え、しかもデッドボリュームを最小限に抑えることができる液体注入構造を提供する。【解決手段】圧力により液体を或る箇所から別の箇所に移動させるための液体注入構造において、液体を受け取るための受取容積部となる第１の流路と、該第１の流路に液体を送り出すための送出容積部となる第２の流路と、該第１の流路と第２の流路とを相互に連通し、これらの流路よりも細い少なくとも１本の第３の流路とを有し、前記第１の流路（受取容積部）の横断面積に対する該横断面の辺周の比率と、前記第２の流路（送出容積部）の横断面積に対する該横断面の辺周の比率がほぼ等しく、前記第３の流路の横断面積に対する該横断面の辺周の比率が前記第２の流路（送出容積部）の横断面積に対する該横断面の辺周の比率よりも２倍以上大きいことを特徴とする液体注入構造。【選択図】  図１
2005017057.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力により液体を或る箇所から別の箇所に移動させるための液体注入構造において、液体を受け取るための受取容積部となる第１の流路と、該第１の流路に液体を送り出すための送出容積部となる第２の流路と、該第１の流路と第２の流路とを相互に連通し、これらの流路よりも細い少なくとも１本の第３の流路とを有し、前記第１の流路（受取容積部）の横断面積に対する該横断面の辺周の比率と、前記第２の流路（送出容積部）の横断面積に対する該横断面の辺周の比率がほぼ等しく、前記第３の流路の横断面積に対する該横断面の辺周の比率が前記第２の流路（送出容積部）の横断面積に対する該横断面の辺周の比率よりも２倍以上１０倍以下であることを特徴とする液体注入構造。
【請求項２】
前記液体を送り出すための送出容積部となる第２の流路には、該流路に液体を供給するための別の管路が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の液体注入構造。
【請求項３】
前記液体を受け取るための受取容積部となる第１の流路と、前記第１の流路に液体を送り出すための送出容積部となる第２の流路との間に差圧を発生させるための差圧発生手段を更に有することを特徴とする請求項１又は２に記載の液体注入構造。
【請求項４】
前記第３の流路を複数本有することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の液体注入構造。
【請求項５】
液体を受け取る第１の流路と、該第１の流路に液体を送り出す第２の流路とを有し、
前記第２の流路は該流路の途中に配設された第１の弁と第２の弁により画成される閉塞可能な送出容積部を有し、
前記送出容積部と前記第１の流路とはこれらの流路よりも細い少なくとも１本の第３の流路により連通されており、
前記送出容積部は該容積部内の液体を前記第３の流路を介して前記第１の流路に圧送するための加圧管路を有し、
前記送出容積部の横断面積に対する該横断面の辺周の比率と、前記第１の流路の横断面積に対する該横断面の辺周の比率がほぼ等しく、
前記第３の流路の横断面積に対する該横断面の辺周の比率が前記第１の流路の横断面積に対する該横断面の辺周の比率よりも２倍以上１０倍以下であることを特徴とする液体注入構造。
【請求項６】
前記第２の流路における前記第１の弁は開閉バルブであり、前記第２の弁は或る決まった方向に対して気体は通すが液体は通さない機能を有する弁であることを特徴とする請求項５に記載の液体注入構造。
【請求項７】
前記加圧管路の途中には開閉弁が配設されていることを特徴とする請求項５に記載の液体注入構造。
【請求項８】
前記第１の流路に対して前記第２の流路が複数本配設されていることを特徴とする請求項５〜７の何れかに記載の液体注入構造。
【請求項９】
前記第３の流路を複数本有することを特徴とする請求項５〜８の何れかに記載の液体注入構造。
【請求項１０】
前記加圧管路に加圧手段が接続されていることを特徴とする請求項５〜９の何れかに記載の液体注入構造。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れかに記載の液体注入構造を有するマイクロチップ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は或る一定量の液体を一つの区画から他の区画に注入するための液体注入構造に関する。更に詳細には、本発明は微細な流路（マイクロチャネル）などを構造要素として有する、いわゆるマイクロチップにおいて、或る一定量の液体を一つの区画から他の区画に注入するための液体注入構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
微量なサンプルなどの液体を用いた化学反応や分析においては、微小なチャネルにより構成されるマイクロチップが用いられることがある。こうしたマイクロチップを用いる場合、使用するサンプル及び反応試薬などの液体を定量的に秤取することにより、正確な結果が得られるものであるが、マイクロチップを用いた分析においては、取り扱うサンプルや反応試薬などの液体の体積が極めて小さいために、液体を定量的に秤取することが難しく、そのための各種複雑な構成が必要となり、その構成を扱うための操作が煩雑になるという問題点があった。
【０００３】
このため、本願出願人は先に、微量な液体を秤取し、それを一つの流路から他の流路に注入する微量液体秤取構造を発明し、出願した（特願２００２−３０２６９２号）。しかし、前記先願明細書に記載された図１３に示されるような微量液体秤取構造では、秤取部分（流路Ｃ）に切り取られたサンプル又は反応試薬などの液体１００を他の流路（流路Ｂ）に注入する際、サンプル又は反応試薬を導入した流路（流路Ａ）はサンプル又は反応試薬を一旦排除し、空気で満たす工程が必要であり、排除されたサンプル量又は反応試薬量（すなわち、無駄になるサンプル量又は反応試薬量）が秤取量に対して過大になるという問題を有していた。マイクロチップで使用されるサンプル及び反応試薬は高価なものが多く、デッドボリュームを最小限に抑えることが求められている。
【０００４】
また、先願明細書に記載された微量液体秤取構造では、サンプル又は反応試薬を導入した流路（流路Ａ）から加圧することにより、細管部（流路Ｄ）を介して流路Ｃ内の秤取液体を他の流路（例えば、流路Ｂ）に注入するが、秤取液体の注入のための圧力制御については何も言及していない。従って、どの程度の圧力を加えるのか、どのように圧力を変化させるのか、どの時点でその圧力を止めるのか、どのようにすれば圧力をかけた液体だけを被注入流路（流路Ｂ）に入れ、空気の混入を阻止することができるのかなどについては全く不明である。液体が通る流路であれば気体も当然通る可能性があるので、秤取液体と共に空気が被注入流路に入れば、秤取液体を一定位置に留めておくことはできず、秤取液体は被注入流路（流路Ｂ）内の方々に分散してしまう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、気体が混入することなく一定量の液体の注入が行え、しかもデッドボリュームを最小限に抑えることができる液体注入構造を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、圧力により液体を或る箇所から別の箇所に移動させるための液体注入構造において、液体を受け取るための受取容積部となる第１の流路と、該第１の流路に液体を送り出すための送出容積部となる第２の流路と、該第１の流路と第２の流路とを相互に連通し、これらの流路よりも細い第３の流路とを有し、前記第１の流路（受取容積部）の横断面積に対する該横断面の辺周の比率と、前記第２の流路（送出容積部）の横断面積に対する該横断面の辺周の比率がほぼ等しく、前記第３の流路の横断面積に対する該横断面の辺周の比率が前記第２の流路（送出容積部）の横断面積に対する該横断面の辺周の比率よりも２倍以上大きいことを特徴とする液体注入構造により解決される。
【０００７】
本発明の或る実施態様では、本発明の液体注入構造は、液体を受け取る第１の流路と、該第１の流路に液体を送り出す第２の流路とを有し、前記第２の流路は該流路の途中に配設された第１の弁と第２の弁により画成される閉塞可能な液体送出容積部を有し、前記液体送出容積部と前記第１の流路とはこれらの流路よりも細い第３の流路により連通されており、前記液体送出容積部は該容積部内の液体を前記第３の流路を介して前記第１の流路に圧送するための加圧管路を有し、前記液体送出容積部の横断面積に対する該横断面の辺周の比率と、前記第１の流路の横断面積に対する該横断面の辺周の比率がほぼ等しく、前記第３の流路の横断面積に対する該横断面の辺周の比率が前記第２の流路の横断面積に対する該横断面の辺周の比率よりも２倍以上大きいことを特徴とする構造からなる。
【０００８】
前記のように、本発明の液体注入構造によれば、第２の流路の液体送出容積部にのみ液体が充填されるので、特願２００２−３０２６９２号明細書に記載された微量液体秤取構造に比べて液体のデッドボリュームを著しく減少させることができる。また、第２の流路の液体送出容積部と第１の流路との間の差圧を、細い第３の流路の構成により定まる或る一定の圧力範囲（注入圧力範囲）に維持して気体（空気）により液体の注入を行うことにより、細い第３の流路入口に空気の相が到達したとき、液体の注入は停止し、空気が液体を受け取る第１の流路に混入することはない。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の液体注入構造について具体的に説明する。
【００１０】
図１は本発明の液体注入構造の実施態様の一例の概要部分平面図である。本発明の液体注入構造は基本的に、液体を受け取るための受取容積部となる第１の流路３と、該第１の流路に液体を送り出すための送出容積部となる第２の流路１５とを有し、第１の流路（受取容積部）３と第２の流路（送出容積部）１５とはこれらの流路よりも細い第３の流路により相互に連通されている。第２の流路（送出容積部）１５内には液体１００が充填されている。この液体１００は、特願２００２−３０２６９２号明細書の図１に記載された微量液体秤取構造により定量秤取された液体でもよく、あるいは別の手段（図示されていない）で予め秤取された液体を適当な手段（図示されていない）により第２の流路１５に充填することもできる。第２の流路１５に充填された液体１００は加圧手段（図示されていない）により加圧され、実線の矢線で示されるように、第３の流路（細管）２７を介して第１の流路（受取容積部）３内に注入される。
【００１１】
図２は図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であり、図３は図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図であり、図４は図１におけるＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。これら各断面図に示されるように、本発明の液体注入構造は下側基板３５と上側基板３７とが貼り合わされて形成されている。上側基板３７は例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などから構成され、下側基板３５は例えば、ガラスなどから構成されている。本発明の液体注入構造で重要なことは、第２の流路（送出容積部）１５の横断面積（すなわち、ｗ１ｘｈ）に対する第２の流路１５の横断面の辺周（すなわち、２ｗ１＋２ｈ）の比率Ａ（すなわち、（２ｗ１＋２ｈ）／（ｗ１ｘｈ））が、第１の流路（受取容積部）３の横断面積（すなわち、ｗ２ｘｈ）に対する第１の流路３の横断面の辺周（すなわち、２ｗ２＋２ｈ）の比率Ｂ（すなわち、（２ｗ２＋２ｈ）／（ｗ２ｘｈ））がほぼ等しくなる（すなわち、Ａ≒Ｂ）ように第２の流路１５と第１の流路を形成する。同時に、細管２７の横断面積（すなわち、ｗ３ｘｈ）に対する細管２７の横断面の辺周（すなわち、２ｗ３＋２ｈ）の比率Ｃ（すなわち、（２ｗ３＋２ｈ）／（ｗ３ｘｈ））が、第２の流路１５の横断面積（すなわち、ｗ１ｘｈ）に対する第２の流路１５の横断面の辺周（すなわち、２ｗ１＋２ｈ）の比率Ａ（すなわち、（２ｗ１＋２ｈ）／（ｗ１ｘｈ））よりも２倍以上大きくなる（すなわち、Ｃ≧２Ａ）ように細管２７を形成することである。しかし、この比率が高くなりすぎると、液体を送出容積部２５から細管２７を介して受取容積部（第１の流路）３へ送り出すために非常に高い圧力が必要となり、実用性に欠ける。一般的に、この比率の上限値は１０倍程度である。
【００１２】
図５は図１におけるＶ−Ｖ線に沿った断面図である。（ａ）は第１の流路３、第２の流路１５及び細管２７の全てが上側基板３７に形成された実施態様であり、（ｂ）は第１の流路３及び第２の流路１５が上側基板３７に形成され、細管２７が下側基板３５に形成された実施態様である。（ａ）及び（ｂ）の断面図では、第１の流路３、第２の流路１５及び細管２７が全て同じ高さであるが、（ｃ）に示されるように、第１の流路３及び第２の流路１５は同じ高さｈ１であるが、細管２７はこれらよりも低い高さｈ２を有するように形成することもできる。同一基板上に高さの異なるパターンは例えば、２重露光法などの公知慣用の手法により形成することができる。第２の流路の高さｈ１よりも細管２７の高さｈ２を低くすると、Ｃ≧２Ａの要件を満たしやすくなる。例えば、Ｃ≧２Ａの要件を満たすためには、細管２７の「辺周／横断面積」比Ｃに対して、第２の流路１５の「辺周／横断面積」比Ａの値を小さくすれば良いのであるが、例えば、細管２７と第２の流路１５が同じ高さ３０μｍで、第２の流路１５の幅が２００μｍかつ細管２７の幅が高さと同じく３０μｍの場合、第２の流路１５の「辺周／横断面積」比Ａは０．０７７（＝４６０／６０００）であり、一方、細管２７の比Ｃは０．１３（＝１２０／９００）である。従って、Ｃ／Ａ＝１．６９であり、本発明の要件を満たさない。第２の流路１５の幅を４００μｍに拡大した場合、比Ａは０．０７１（＝８６０／１２０００）となるが、Ｃ／Ａ＝１．８３であり、依然として本発明の要件を満たさない。換言すれば、第２の流路１５の幅を広げても、比Ａはさほど変化しない。これに対して、細管２７の高さを半分の１５μｍとすると、幅も半分の１５μｍとできる（アスペクト比１のチャネルは容易に作成できる）ので、比Ｃは０．２７と倍増する。従って、Ｃ（０．２７）／Ａ（０．０７７）＝３．５１となり本発明の比率要件を満たす。よって、第１の流路３及び第２の流路１５に対して、これら流路の高さよりも低い高さの細管２７を用いると、本発明の比率要件を満たしやすくなるという利点が得られる。
【００１３】
図６は本発明の液体注入構造の実施態様の別の例の概要部分平面図である。図１の実施態様と異なり、図６の実施態様では複数本の細管２７−１〜２７−３を有する。細管の横断面を幅ｗ３、高さｈのチャネル形状とすると、細管１本の場合、「辺周／横断面積」比＝（２ｗ３＋２ｈ）／（ｗ３ｘｈ）となる。細管がｎ本ある場合、「辺周／横断面積」比＝ｎ（２ｗ３＋２ｈ）／ｎ（ｗ３ｘｈ）＝（２ｗ３＋２ｈ）／（ｗ３ｘｈ）となる。すなわち、チャネル形状に拘わらず、細管が同一横断面形状であれば、それが何本あっても、横断面積に対する辺周の比は同じになる。よって、注入に最適な圧力は変わらない。細管２７を複数本に分割すると、１本の場合よりも注入時間を短縮できるという利点が得られる。注入圧力は細管断面が小さくなるほど、適正範囲に余裕ができ、扱い易くなる。一方、細管に流れる流量は小さくなり、注入に時間を要する。そこで、細管を複数本設けることで、注入に最適な圧力を維持しつつ、注入時間を短縮することができる。
【００１４】
図７（ａ）は本発明の液体注入構造を有するマイクロチップの一例の概要平面図である。図７（ａ）において、マイクロチップ１は例えば、極微量分析及び／又は合成・分離などの目的に使用される装置である。マイクロチップ１は、主要流路となる第１の流路３を有する。第１の流路３の一方の端部には大気に向かって開放されたオープンウェル５が配設されている。このオープンウェル５を介して分析などに必要な試薬類などを第１の流路３内に導入することもできる。第１の流路３の他方の端部には引圧ウェル７が配設されている。引圧ウェル７は必要に応じて真空ポンプなどの引圧手段（図示されていない）に接続されている。また、第１の流路の途中には、目的に応じて、あるいは必要に応じて、液体混合などの目的に使用されるつづら折り状の混合部９を配設することもできる。更に、生成物の検出などを行うための検出部１１を設けることもできる。検出部１１と引圧ウェル７との間には、エア抜き弁１３を設けることができる。このエア抜き弁１３は或る決まった方向に対して、空気は通すが液体は通さない機能を有する。このようなエア抜き弁１３は例えば、Ｋａｚｕｏ  Ｈｏｓｏｋａｗａ  ｅｔ  ａｌ．，  ＦＯＲＭＡＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＡＣＴＩＶＥ  ＭＩＸＩＮＧ  ＯＦ  ＭＥＴＥＲＥＤ  ＮＡＮＯ／ＰＩＣＯＬＩＴＥＲ  ＬＩＱＵＩＤ  ＤＲＯＰＬＥＴＳ  ＩＮ  Ａ  ＭＩＣＲＯＦＬＵＩＤＩＣ  ＤＥＶＩＣＥ，  Ｍｉｃｒｏ  Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，  ２０００，  ４８１−４８４に”ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ  ｍｉｃｒｏｃａｐｉｌｌａｒｙ  ｖｅｎｔ  （ＨＭＣＶ）”として記載されている。
【００１５】
第１の流路３と並行して、第２の流路１５が配設されている。第２の流路１５の一方の端部には大気に向かって開放されたオープンウェル１７が配設されている。このオープンウェル１７から分析などに必要なサンプルなどを第２の流路１５内に導入する。第２の流路１５の他方の端部には引圧ウェル１９が配設されている。引圧ウェル１９は真空ポンプなどの引圧手段（図示されていない）に接続されている。第２の流路１５のオープンウェル１７と引圧ウェル１９との間の途中に、第１の弁２１と第２の弁２３とを配設し、この２個の弁によって閉塞された空間を送出容積部２５として画成する。第１の弁２１は例えば、公知慣用の開閉弁などを使用することができる。また、第２の弁２３は前記のようなエア抜き弁を使用する。これにより、オープンウェル１７に充填されたサンプルなどを送出容積部２５内に満たすことができる。この送出容積部２５は前記第１の流路３と、これらの流路よりも細い第３の流路（細管）２７により連通されている。また、送出容積部２５には、この容積部内の液体を前記細管２７を介して第１の流路３に移動させるための、加圧管路２９が接続されている。従って、図７のマイクロチップ１においても、第１の流路３が液体を受け取るための受取容積部となる。加圧管路２９には空気などの気体の流通を制御するための開閉弁３１が配設されている。また、加圧管路２９の他端には加圧ウェル３３が配設されており、この加圧ウェル３３はシリンジなどのような加圧手段（図示されていない）に接続されている。
【００１６】
図７（ｂ）は前記図７（ａ）において点線で囲まれた送出容積部２５の部分拡大平面図である。図７（ａ）のマイクロチップ１では、弁２１と弁２３とにより画成される閉塞空間（送出容積部２５）内全体にサンプルなどが満たされるが、第１の流路（受取容積部）３内に注入される液体の送出容量は、第２の流路１５の加圧管路２９の接続部から細管２７の接続部までの容積（Ｖ）となる。従って、所望の容量となるように、第２の流路における加圧管路２９と細管２７の接続部の位置を適宜選択することが好ましい。
【００１７】
図８は図７（ｂ）におけるＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った部分断面図である。本発明のマイクロチップ１は従来のマイクロチップと同様に、下側基板３５と上側基板３７とが貼り合わされて形成されている。上側基板３７は例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などから構成され、下側基板３５は例えば、ガラスなどから構成されている。（ａ）は第１の流路（受取容積部）３、送出容積部２５及び細管２７の全てが上側基板３７に形成された実施態様であり、（ｂ）は第１の流路３及び送出容積部２５が上側基板３７に形成され、細管２７が下側基板３５に形成された実施態様である。（ｃ）は（ａ）におけるｃ−ｃ線に沿った断面図である。本発明の液体注入構造で重要なことは、送出容積部２５の横断面積（すなわち、ｗ１ｘｈ）に対する送出容積部２５の横断面の辺周（すなわち、２ｗ１＋２ｈ）の比率Ａ（すなわち、（２ｗ１＋２ｈ）／（ｗ１ｘｈ））が、第１の流路（受取容積部）の横断面積（すなわち、ｗ２ｘｈ）に対する第１の流路３の横断面の辺周（すなわち、２ｗ２＋２ｈ）の比率Ｂ（すなわち、（２ｗ２＋２ｈ）／（ｗ２ｘｈ））がほぼ等しくなるように液体送出容積部２５と第１の流路（受取容積部）を形成する。同時に、細管２７の横断面積（すなわち、ｗ３ｘｈ）に対する細管２７の横断面の辺周（すなわち、２ｗ３＋２ｈ）の比率Ｃ（すなわち、（２ｗ３＋２ｈ）／（ｗ３ｘｈ））が、液体送出容積部２５の横断面積（すなわち、ｗ１ｘｈ）に対する液体送出容積部２５の横断面の辺周（すなわち、２ｗ１＋２ｈ）の比率（すなわち、（２ｗ１＋２ｈ）／（ｗ１ｘｈ））よりも２倍以上大きくなる（すなわち、Ｃ≧２Ａ）ように細管２７を形成することである。しかし、この比率が高くなりすぎると、液体を液体送出容積部２５から細管２７を介して第１の流路（受取容積部）３へ送り出すために非常に高い圧力が必要となり、実用性に欠ける。一般的に、この比率の上限値は１０倍程度であることが好ましい。（ｄ）は送出容積部２５及び第１の流路（受取容積部）３のチャネル高さｈ１よりも細管２７のチャネル高さｈ２の方が低い実施態様を示す。この実施態様においても、前記Ｃ≧２Ａの要件を満たすことが必要である。
【００１８】
図９は送出容積部２５内の液体を細管２７を介して第１の流路（受取容積部）３に送り出す際、第１の流路３に空気が混入しないメカニズムを説明する図である。（Ａ）は、送出容積部２５に注入圧力をかけ、送出容積部２５内の液体が細管２７を通して第１の流路（受取容積部）３に注入されている状態を示す。（Ｂ）は前記のような条件（Ｃ≧２Ａ）を満たす細管２７の形状と、それに適した注入圧力が選択された場合、加圧気体の空気相が細管２７入口に到達したとき、注入が停止した状態を示す。（Ａ）及び（Ｂ）において、実線の円で囲んだＰ部分（細管２７入口）に着目する。（Ａ）ではＰ部分は液−液界面であり、（Ｂ）ではＰ部分は気−液界面に変化している。（Ａ）の注入過程では、細管２７入口近辺は液体で満たされており、細管２７や送出容積部２５の内壁と液体との界面状態は何ら変化していない。送出容積部２５に残された液体の容量と、第１の流路３内に注入された液体の容量との比率は徐々に変化するが、同一圧力でほぼ一定の流速で注入が継続される。しかし、（Ｂ）の状態になった瞬間、細管２７入口で気体−液体−固体の各相の間で急激な界面の変化を起こす。（一方、第１の流路３側では大きな変化は無い。）特に、液体と固体との接触角が、それまで液体送出容積部２５の内壁との間で形成されていたのが、細管２７入口で一挙に９０度変えて、細管２７の内壁との間に形成されるようになる。
【００１９】
理論に拘るわけではないが、図９において、第１の流路３に空気が混入しないメカニズムを数式を用いて説明する。液体にはその液体固有の表面張力γがある。また、固体と液体との界面には、その固体と液体の組合せに固有な接触角θｃがある。図９（Ａ）の液体送出容積部２５内の液体表面Ａにおいて、ほぼ次の式が成り立つ。
ＰＡ＝（ＬＡ／ＳＡ）・γｃｏｓθｃ
（式中、ＰＡは液体表面Ａで発生する圧力を示し、ＬＡは液体送出容積部２５の横断面の辺周を示し、ＳＡは液体送出容積部２５の横断面積を示す。）
同様に、液体を受け取る第１の流路３の液体表面Ｂにおいて、ほぼ次の式が成り立つ。
ＰＢ＝（ＬＢ／ＳＢ）・γｃｏｓθｃ
（式中、ＰＢは液体表面Ｂで発生する圧力を示し、ＬＢは第１の流路３の横断面の辺周を示し、ＳＢは第１の流路３の横断面積を示す。）
液体送出容積部２５と液体を受け取る第１の流路３の形状がほぼ等しい（すなわち、ＬＡ＝ＬＢ及びＳＡ＝ＳＢ）ならば、圧力ＰＡとＰＢもほぼ等しく、液体表面Ａと液体表面Ｂの間の圧力差は生じない。このとき、僅かな気体の圧力により液体は移動できる。
次に、図９（Ｂ）の場合、細管２７入口の液体表面Ｃについて次の式が成り立つ。
ＰＣ＝（ＬＣ／ＳＣ）・γｃｏｓθｃ
（式中、ＰＣは液体表面Ｃで発生する圧力を示し、ＬＣは細管２７の横断面の辺周を示し、ＳＣは細管２７の横断面積を示す。）
よって、液体表面Ｃと液体表面Ｂとの間の差圧ΔＰは次のようになる。
ΔＰ＝ＰＣ−ＰＢ＝（ＬＣ／ＳＣ−ＬＢ／ＳＢ）・γｃｏｓθｃ
細管２７においては、断面積に対する辺周の比率ＬＣ／ＳＣの方が、液体を受け取る第１の流路３の断面積に対する辺周の比率ＬＢ／ＳＢよりもずっと大きい（例えば、２倍以上）。よって、大きな差圧ΔＰが発生し、それに打ち勝つ大きな気体の圧力をかけない限り、細管２７内の液体は移動せず、その結果、細管２７内の液体が封止栓の役目を果たし、第１の流路３に空気が混入することを阻止するものと思われる。
【００２０】
図１０（ａ）は第１の流路３に対して、図１に示されるような第２の流路１５と概ね同じ構造の流路が複数本配設されたマイクロチップの実施態様を示す概要平面図である。このマイクロチップ１では、一方の第２の流路１５ａはサンプルなどの液体を供給するための流路として使用し、他方の第２の流路１５ｂは試薬類などの液体を供給するための流路として使用することができる。すなわち、液体を送り出す２本の第２の流路１５ａ及び１５ｂが液体を受け取る第１の流路３を共有している。従って、このマイクロチップ１では、サンプルと試薬を液体送出容積部２５ａ及び２５ｂで一定の微量容積秤取し、第１の流路３内で混合して反応させ、サンプルの検出を行うことができる。図１０（ｂ）は、前記図１０（ａ）において点線で囲まれた液体送出容積部２５の部分拡大平面図である。
【００２１】
図１０（ａ）に示されたマイクロチップ１の動作について説明する。先ず、サンプルウエル１７ａにマイクロピペットなどの公知常用の手段によりサンプルを満たす。引圧ウェル１９ａから真空ポンプなどの公知常用の引圧手段により送出容積部２５ａにサンプルを導入する。この時、バルブ２１ａは開いており、加圧管路２９ａの開閉弁３１ａは閉じている。サンプルはエア抜き弁２３ａに到達したところで導入が止まり、送出容積部２５ａにサンプルが満たされる。エア抜き弁は図１のマイクロチップで説明した通りのものである。次いで、バルブ２１ａを閉じ、開閉弁３１ａを開き、加圧ウェル３３ａに接続されたシリンジなどの公知常用の加圧手段により加圧管路２９ａから気体（例えば、空気）で加圧し液体送出容積部２５ａ内のサンプルを液体を受け取る第１の流路３内に注入する。本発明のマイクロチップでは、バルブ２１ａ（２１ｂ）及び加圧管路開閉弁３１ａ（３１ｂ）がそれぞれチップ内に配置されている。サンプルウェル１７ａ（１７ｂ）や加圧ウェル３３ａ（３３ｂ）などを直接的に開閉を行うことは、そのポンピングボリュームが大きく、送出容積部２５ａ（２５ｂ）に対して意図しない加圧となることが懸念される。しかし、それらをマイクロチップ内に配置することによって、ポンピングボリュームを少なく抑えることができ、意図しない加圧は無くなる。
【００２２】
試薬ウエル１７ｂに試薬を満たし、サンプルと同様に第１の流路３内に試薬を注入する。
【００２３】
次に、引圧ウェル７から真空ポンプなどの公知常用の引圧手段によって、第１の流路３内のサンプルと試薬を移動させ、つづら折り状の混合部９で２液を十分に混合させる。この時、エア抜き弁１３は前記のように、空気は通すが液体は通さないように機能する。更に吸引を続けることにより、混合液は混合部９から検出部１１に到達する。検出部１１はマイクロチップ１内に配置された或る一定の容積を有する空間であり、オープンウェルではない。検出部１１の周辺にはサンプルに合わせた検出手段が配置されている。例えば、マイクロチップ１内の検出部１１を挟むようにマイクロチップ１の外部上下に投光器（図示されていない）と受光器（図示されていない）を配置し、サンプルの蛍光検出を行うことができる。
【００２４】
以上、本発明の液体注入構造について具体的な実施態様を挙げて説明してきたが、本発明はこれら実施態様だけに限定されない。例えば、図１１に示されるように、送出容積部１５に液体を供給する管路４０を配設し、管路４０の両端部にオープンウェル４２ａ及び４２ｂを配設する。一方、受取容積部３から液体を移送させるための管路４４を配設し、管路４４の両端部にオープンウェル４６ａ及び４６ｂを配設する。この実施態様では、例えば、管路４０から送出容積部１５に液体を毛細管現象を利用して充填した後、例えば、オープンウェル４２ｂ及び４６ａを閉じ、オープンウェル４６ｂを開放し、オープンウェル４２ａからシリンジ（図示されていない）などの公知慣用の加圧手段で管路４０から送出容積部１５内の液体を加圧することにより、液体を受取容積部３内に注入することができる。別法として、オープンウェル４２ａを開放し、オープンウェル４６ｂから引圧しても送出容積部１５から受取容積部３に液体を注入することもできる。図１１に示される実施態様の利点は、特別な加圧管路の配設が不要なことと、構造全体が対称形であるため、送出容積部１５を受取容積部３として使用し、受取容積部３を送出容積部１５として可逆的に、あるいは方向性を考慮せずに使用することができることである。
【００２５】
図１２は本発明の液体注入構造の更に他の実施態様を示す部分概要平面図である。送出容積部１５に液体を供給する管路４０を配設し、更に、気管４８を配設する。管路４０の端部にはオープンウェル４２ａが配設され、オープンウェル４２ａと送出容積部１５との間には開閉弁Ａ５０が配設されている。一方、気管４８の端部にはウェル４２ｂが配設され、ウェル４２ｂと送出容積部１５との間には開閉弁Ｂ５２が配設されている。ウェル４２ｂはオープンウェルとして使用することができるが、加圧ウェルとしても利用できる。また、受取容積部３は管路状であり、その両端部にはウェル４６ａ及び４６ｂが配設され、受取容積部３の細管２７接続箇所とウェル４６ａとの間に開閉弁Ｃ５４が配設されている。ウェル４６ａはオープンウェルとして使用され、ウェル４６ｂは引圧ウェルとして使用される。図１２に示された実施態様において、送出容積部１５から受取容積部３に液体を注入する動作について説明する。▲１▼先ず、オープンウェル４２ａに液体を入れる。▲２▼開閉弁Ａ５０は「開」、開閉弁Ｂ５２及び開閉弁Ｃ５４は「閉」とする。▲３▼引圧ウェル４６ｂから微弱な圧力でオープンウェル４２ａ内の液体を引く。これにより液体は細管２７の入口かあるいは細管２７の出口まで到達する。すなわち、細管２７を通して負圧をかけることで、液体送出部１５への液体導入を実施できる。▲４▼次いで、開閉弁Ｃを「開」として、受取容積部３を大気圧とする。▲５▼次いで、開閉弁Ａ５０を「閉」、開閉弁Ｂ５２を「開」として、ウェル４２ｂから注入圧力を加圧する。前記手順では、注入時に受取容積部３を大気圧開放し、送出容積部１５を正圧にするが、この逆に、ウェル４２ｂをオープンウェルにし、引圧ウエル４６ｂに注入圧力に相当する負圧をかけることによっても、送出容積部１５から受取容積部３への液体注入を行うことができる。要するに、加圧管路４８と受取容積部３との間に注入のために必要な適正圧力を生じさせれば良いので、加圧管路４８から必ずしも加圧する必要は無く、逆に、加圧管路４８から加圧する場合は、必ず受取容積部３が大気圧開放になっていることが重要である。
【００２６】
【実施例】
以下、実施例により本発明の液体注入構造の効果を例証する。
【００２７】
実施例１
図９に示されるような構成のマイクロチップ１を作製した。液体送出容積部２５、細管２７及び第１の流路３の各チャネルの高さを５０μｍとした。液体送出容積部２５及び第１の流路の各チャネルの幅を２００μｍとした。また、細管２７のチャネルの幅を１５μｍとした。従って、液体送出容積部２５及び第１の流路３の各チャネルの断面積は１００００μｍ２（＝２００μｍｘ５０μｍ）となる。また、辺周は５００μｍ（＝５０μｍｘ２＋２００μｍｘ２）となる。よって、辺周／断面積の比率（Ａ及びＢ）は０．０５（＝５００／１００００）となる。一方、細管２７のチャネルの断面積は７５０μｍ２（＝１５μｍｘ５０μｍ）となる。また、辺周は１３０μｍ（＝５０μｍｘ２＋１５μｍｘ２）となる。よって、辺周／断面積の比率（Ｃ）は０．１７３（＝１３０／７５０）となる。その結果、細管２７における辺周／断面積の比率は第１の流路３（又は液体送出容積部２５）の辺周／断面積の比率よりも約３．５倍（＝０．１７３／０．０５）となり、Ｃ≧２Ａの要件を満たしている。この実施例では、約３ＫＰａの圧力で液体送出容積部２５から第１の流路へ気体を混入することなく所定量の液体だけをを注入することができた。
【００２８】
比較例１
送出容積部２５、細管２７及び第１の流路の各チャネルの高さを１５μｍとしたこと以外は実施例１と同様にマイクロチップ１を作製した。従って、送出容積部２５及び第１の流路の各チャネルの断面積は３０００μｍ２（＝２００μｍｘ１５μｍ）となる。また、辺周は４３０μｍ（＝１５μｍｘ２＋２００μｍｘ２）となる。よって、辺周／断面積の比率（Ａ及びＢ）は０．１４３（＝４３０／３０００）となる。一方、細管２７のチャネルの断面積は２２５μｍ２（＝１５μｍｘ１５μｍ）となる。また、辺周は６０μｍ（＝１５μｍｘ２＋１５μｍｘ２）となる。よって、辺周／断面積の比率（Ｃ）は０．２６７（＝６０／２２５）となる。その結果、細管２７における辺周／断面積の比率（Ｃ）は第１の流路３（又は液体送出容積部２５）の辺周／断面積の比率（Ａ）よりも約１．９倍（＝０．２６７／０．１４３）となる。従って、Ｃ≧２Ａの要件を満たしていない。この比較例では、どのような圧力を試してみても注入は成功しなかった。すなわち、圧力が小さいと細管２７を通して液体が流れず、圧力が高いと細管２７を通して加圧した空気までも第１の流路内に流れてしまい、注入に最適な圧力が存在しなかった。
【００２９】
比較例２
送出容積部２５及び第１の流路３の各チャネルの幅及び高さを１００μｍｘ２０μｍとし、細管２７の幅及び高さを３μｍｘ３μｍとしたこと以外は実施例１と同様にマイクロチップ１を作製した。送出容積部２５の辺周／断面積の比率（Ａ）は０．１２（＝２４０／２０００）であり、細管２７の辺周／断面積の比率（Ｃ）は１．３３（＝１２／９）となる。従って、Ｃ／Ａ＝１１．１となりＣ≧２Ａの要件は満たす。しかし、細管２７を通して送出容積部２５から第１の流路３に液体を送り出すために、５００ｋＰａ以上の圧力を掛けたところ、マイクロチップ自体がこの圧力に耐えられず、破損してしまい、液体の注入はできなかった。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第２の流路の液体送出容積部にのみ液体が充填されるので、特願２００２−３０２６９２号明細書に記載された微量液体秤取構造に比べて液体のデッドボリュームを著しく減少させることができる。また、第２の流路の液体送出容積部と第１の流路との間の差圧を、細い第３の流路の構成により定まる或る一定の圧力範囲（注入圧力範囲）に維持して気体（空気）により液体の注入を行うことにより、細い第３の流路入口に空気の相が到達したとき、液体の注入は停止し、空気が液体を受け取る第１の流路に混入することはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液体注入構造の一例の部分概要平面図である。
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図４】図１におけるＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。
【図５】図１におけるＶ−Ｖ線に沿った断面図であり、（ａ）は全ての管路が上側基板に配設された例であり、（ｂ）は細管だけが下側基板に配設された例であり、（ｃ）は（ａ）の変更例である。
【図６】本発明の液体注入構造の別の例の部分概要平面図である。
【図７】（ａ）は本発明の液体注入構造を有するマイクロチップの一例の概要平面図であり、（ｂ）は（ａ）における点線で囲まれた液体送出容積部２５の部分拡大平面図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は図１（ｂ）におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であり、（ｃ）は（ａ）におけるｃ−ｃ線に沿った断面図であり、（ｄ）は（ａ）の変更例である。
【図９】図１（ｂ）における液体送出容積部２５内の液体を細管２７を介して第１の流路３に送り出す際、第１の流路３に空気が混入しないメカニズムを説明する図である。
【図１０】（ａ）は本発明の液体注入構造を有するマイクロチップの別の例の概要平面図であり、（ｂ）は（ａ）における点線で囲まれた液体送出容積部２５の部分拡大平面図である。
【図１１】本発明の液体注入構造の他の実施態様を示す部分概要平面図である。
【図１２】本発明の液体注入構造の更に他の実施態様を示す部分概要平面図である。
【図１３】特願２００２−３０２６９２号明細書に記載された微量液体秤取構造の部分概要平面図である。
【符号の説明】
１  マイクロチップ
３  液体を受け取る第１の流路
５  オープンウェル
７  引圧ウェル
９  混合部
１１  検出部
１３  エア抜き弁
１５  液体を送り出す第２の流路
１７  オープンウェル
１９  引圧ウェル
２１  開閉バルブ
２３  エア抜き弁
２５  液体送出容積部
２７  第３の流路（細管）
２９  加圧管路
３１  開閉弁
３３  加圧ウェル
３５  下側基板
３７  上側基板
【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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