(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微量な液滴を化学的に分析するために各種処理を施す化学分析装置において、
液滴に磁気微粒子を混入させた状態で、上記磁気微粒子を混入させた液滴を、上記磁気微粒子に対して磁場を加えることにより化学的分析の処理のために他の液体中で搬送する搬送手段と、
上記搬送手段により上記磁気微粒子を混入させた液滴を搬送する過程で化学的分析の処理のための操作を順次施す処理手段とを備え、
上記磁気微粒子を混入させた液滴又は液滴のみを複数種類設け、上記処理手段は複数の隔壁により隔てられた小室を有し、上記各小室に上記複数種類の上記磁気微粒子を混入させた液滴もしくは液滴のみが配置され、
上記搬送手段により任意の小室に配置される上記磁気微粒子を混入させた液滴を上記各小室に設けられた各隔壁を乗り越えることにより搬送し、他の小室に配置される上記複数種類のうちの他の液滴と合体させて化学反応操作そのものあるいはその操作の一部を行う
ことを特徴とする化学分析装置。
【請求項２】
請求項１記載の化学分析装置において、
上記搬送手段により任意の小室に配置される上記磁気微粒子を混入させた上記複数種類のうちの任意の液滴を上記各小室に設けられた各隔壁を乗り越えて上記他の小室に搬送する際に、上記液滴のぬれ性及び表面張力などの物理的及び化学的性質を利用して上記磁気微粒子を混入させた上記複数種類のうちの任意の液滴を、上記磁気微粒子を含んだ液滴と、上記磁気微粒子を含まない液滴とに分離操作を行う
ことを特徴とする化学分析装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の化学分析装置において、
上記磁気微粒子を混入させた液滴に対して、外部より加える磁場を制御することにより、上記磁気微粒子を上記液滴中に分散又は凝集させると共に、上記磁気微粒子を混入させた液滴の操作を行う
ことを特徴とする化学分析装置。
【請求項４】
請求項３記載の化学分析装置において、
上記外部磁場の制御の他に、少なくとも光、熱、又はｐＨ（ペーハー）による物理的及び化学的な反応制御を用いる
ことを特徴とする化学分析装置。
【請求項５】
請求項１又は２記載の化学分析装置において、
上記磁気微粒子の表面に化学反応操作を行うための試料を吸着した状態で、上記磁気微粒子を上記試料に対する化学反応操作を行うためのキャリアーとして用いる
ことを特徴とする化学分析装置。
【請求項６】
請求項１又は２記載の化学分析装置において、
上記処理手段となる複数の隔壁により隔てられた上記小室を複数個組み合わせることにより、上記磁気微粒子の表面に吸着した試料に対する少なくとも反応、分離、希釈による一連の化学反応操作を行う
ことを特徴とする化学分析装置。
【請求項７】
微量な液滴を化学的に分析するために各種処理を施す化学分析方法において、
液滴に磁気微粒子を混入させた状態で、上記磁気微粒子を混入させた液滴を、上記磁気微粒子に対して磁場を加えることにより化学的分析の処理のために他の液体中で搬送する搬送ステップと、
上記搬送ステップにより上記磁気微粒子を混入させた液滴を搬送する過程で化学的分析の処理のための操作を順次施す処理ステップとを備え、
上記磁気微粒子を混入させた液滴又は液滴のみを複数種類設け、上記処理ステップによる処理状態は複数の隔壁により隔てられた小室において形成され、上記各小室に上記複数種類の上記液滴が配置され、
上記搬送ステップにより任意の小室に配置される上記磁気微粒子を混入させた上記複数種類の液滴のうちの任意の液滴を上記各小室に設けられた各隔壁を乗り越えることにより搬送し、他の小室に配置される上記複数種類のうちの他の液滴と合体させて化学反応操作そのものあるいはその操作の一部を行う
ことを特徴とする化学分析方法。
【請求項８】
請求項７記載の化学分析方法において、
上記搬送ステップにより任意の小室に配置される上記磁気微粒子を混入させた上記複数種類のうちの任意の液滴を上記各小室に設けられた各隔壁を乗り越えて上記他の小室に搬送する際に、上記液滴のぬれ性及び表面張力などの物理的及び化学的性質を利用して上記磁気微粒子を混入させた上記複数種類のうちの任意の液滴を、上記磁気微粒子を含んだ液滴と、上記磁気微粒子を含まない液滴とに分離操作を行う
ことを特徴とする化学分析方法。
【請求項９】
請求項７又は８記載の化学分析方法において、
上記磁気微粒子を混入させた液滴に対して、外部より加える磁場を制御することにより、上記磁気微粒子を上記液滴中に分散又は凝集させると共に、上記磁気微粒子の表面に吸着された試料の操作を行う
ことを特徴とする化学分析方法。
【請求項１０】
請求項９記載の化学分析方法において、
上記外部磁場の制御の他に、少なくとも光、熱、又はｐＨ（ペーハー）による物理的及び化学的な反応制御を用いる
ことを特徴とする化学分析方法。
【請求項１１】
請求項７又は８記載の化学分析方法において、
上記磁気微粒子の表面に化学反応操作を行うための試料を吸着した状態で、上記磁気微粒子を上記試料に対する化学反応操作を行うためのキャリアーとして用いる
ことを特徴とする化学分析方法。
【請求項１２】
請求項７又は８記載の化学分析方法において、
上記処理ステップによる処理状態を形成する複数の隔壁により隔てられた上記小室を複数個組み合わせることにより、上記磁気微粒子の表面に吸着した上記試料に対する少なくとも反応、分離、希釈による一連の化学反応操作を行う
ことを特徴とする化学分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微量な液滴を用いて化学分析を行う化学分析装置及び化学分析方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば半導体微細加工技術を応用展開したマイクロマシニング技術で、化学及び生化学分析及びＤＮＡ配列分析を目的とした微小な分離用流路及び反応器が開発されている（特許文献１、非特許文献１、非特許文献２参照）。また、微量な液滴を電気的な手法にて操作し、これにより微量な液体の生化学反応操作を行うデバイスが提案されている（特許文献２、非特許文献３、非特許文献４参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１３−１３２８６１号公報
【特許文献２】特表平１５−５２６５２３号公報
【非特許文献１】「集積化ミクロ化学システム」、マテリアルインテグレーション、Vol.15,No.2,2002,
【非特許文献２】「マイクロチップに集積した化学システム」、ケミカル・エンジニアリング、11月号,2002,
【非特許文献３】「Droplet Manipulation on a Superhydrophobic Surface for Microchemical Analysis」,Digest of Technical Papers of transducers’01, pp.1150-1153,
【非特許文献４】「Towards Digital Microfludic Circuits: Creating, Transporting, Cuttingand Merging Liquid Droplets by Electrowtting-based Actuation」, Technical Digest of MEMS’02, pp.32-35,
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来技術では、微小流路及び反応器はシリコンもしくはガラスチップ上に集積化されており、分析装置の小型化、低コスト化が図られている。しかしながら、これらの流路及び反応器は分析装置の一部であり、液体の搬送機構として、例えばポンプ、バルブなどの流体機械などの他の要素が大型であるために、装置全体としての小型化、低コスト化には至っていない（非特許文献１、非特許文献２参照）。
【０００５】
また、装置の携帯性が乏しいために、様々な化学及び生化学物質をその場で分析することが難しいという問題も抱えている。
一方、微量な液滴操作で化学及び生化学反応を行うデバイスは電気的な手法で液滴を操作するために、上述した微小流路及び反応器の例に比べると、複雑な機構が不必要であるために、分析装置全体の小型化、低コスト化を図ることができるが、化学分析装置の機構である試料の濃縮及び希釈が困難であるという不都合がある（非特許文献３、非特許文献４参照）。
【０００６】
そこで、本発明は上述した不都合を解決することを課題とするものであって、小型化、低コスト化、携帯化が可能で、かつ試料の分離、濃縮及び希釈の各工程の操作が可能な化学分析装置及び化学分析方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の化学分析装置は、微量な液滴を化学的に分析するために各種処理を施す化学分析装置において、液滴に磁気微粒子を混入させた状態で、磁気微粒子を混入させた液滴を、磁気微粒子に対して磁場を加えることにより化学的分析の処理のために他の液体中で搬送する搬送手段を備えたものである。
【０００８】
また、本発明の化学分析方法は、微量な液滴を化学的に分析するために各種処理を施す化学分析方法において、液滴に磁気微粒子を混入させた状態で、磁気微粒子を混入させた液滴を、磁気微粒子に対して磁場を加えることにより化学的分析の処理のために他の液体中で搬送する搬送ステップを備えたものである。
【０００９】
本発明の化学分析装置では、磁気微粒子を含む液滴を、反応、分離、希釈、検出の各ユニット間で搬送することにより、一連の化学もしくは生化学反応及び検出を行う。液滴の搬送には液滴内部に閉じ込めた磁気微粒子を利用する。外部磁場により液滴内部に分散している磁気微粒子を捕集すると共に磁気微粒子に作用する磁気力を利用して液滴を搬送する。また、磁気微粒子は試料搬送用としての役目も担っており、磁気微粒子表面に目的とする試料が吸着している。
【００１０】
液滴の形成には表面張力を利用する。他の液体であるシリコーンオイル中に磁気微粒子を含んだ溶媒を滴下し液滴を形成する。溶媒には試料の化学及び生化学的な性質が変化しないような液体を用いる。液滴搬送時に磁気微粒子に作用する磁気力を利用するが、磁気微粒子が液滴内部に閉じ込められているために、磁気微粒子が流路表面上に吸着することはない。このため、磁気力で磁気微粒子を容易に操作することができる。
【００１１】
試料を含む液滴の反応、分離、希釈操作は、液滴を融合、分割することで実施する。反応の場合、障壁により隔てられた小室となる反応ユニットに反応試薬の液滴を形成しておく。このとき、反応試薬の液滴は隔壁などのゲートによりユニットに固定されるようにしておく。このユニット及びゲート材料に、液滴よりもシリコーンオイルとのぬれ性が良い材質を適用することで液滴をユニット壁面から分離してその内部に閉じ込める。
【００１２】
試料を含んだ液滴を磁気微粒子に対する磁気力により搬送し、反応ユニットの隔壁となるゲートを通過した後、反応試薬の液滴と融合させる。試料を含んだ液滴は反応試薬の液滴に比べて体積が小さいのでユニット内の反応ユニットの隔壁となるゲートを通過することができる仕組みになっている。また、二つの液敵同士のぬれ性が良いことから二つの液滴が接触することで二つの液滴が一つになる。
【００１３】
液滴の分離・分割は、液滴を各ユニット間に設けてある隔壁の下を通過させるときに行う。液滴の体積を考慮して障壁の高さを調整する。磁気微粒子を含んだ液滴が隔壁下にさしかかると、外部磁場の移動に伴い磁気引力により磁気微粒子とその周辺部は移動するが、その他の液滴の大部分は隔壁に対する液滴のぬれ性が良くないために隔壁にトラップ（捕捉）される。その結果、磁気微粒子を含んだ液滴部分と、磁気微粒子を含まない液滴部分との間に首状部分ができるネッキングが発生する。さらに外部磁場の移動により磁気微粒子を移動させると、ネッキングが大きくなり最終的には液滴は、磁気微粒子を含んだ液滴と、磁気微粒子を含んでいない液滴とに分割される。このように液滴のぬれ性を利用して磁気微粒子を含んだ液滴と、磁気微粒子を含んでいない液滴とに分離する。なお、液滴の体積と隔壁の高さを調整することにより分割比率を制御することができる。
【００１４】
希釈は基本的には反応ユニットと同じメカニズムを用いて、磁気微粒子を含んだ液滴と希釈用液滴とを融合させることにより行う。液滴の体積比率を制御することにより希釈倍率を変えることができる。検出には吸光あるいは発光などの光学的な手法を用いて反応後の試料の変化を計測する。なお、試料搬送用として用いている磁気微粒子の搬送効率を上げるために、液滴搬送時には、磁気微粒子を凝集させて移動させ、反応及び希釈工程においては化学反応を促進するために磁気微粒子を液滴内に分散させる。この分散、凝集手段には磁気力と、熱、光、又はｐＨ（ペーハー）による物理的及び化学的な反応を利用する。また、反応ユニットでは必要に応じてマイクロヒータ及び温度センサーを基板に集積化することにより、精度の良い温度制御を行うことができる。
【００１５】
以上のように、本発明の化学分析装置では、磁気微粒子を含んだ液滴を外部磁場により搬送するのみで、試料の反応、分離、希釈、検出を行うことができ、その結果、ポンプ、バルブなどの液体の搬送機構が不要にすることができる。また、液滴搬送の駆動原として用いている磁気微粒子が液滴のなかに閉じ込められているために流路表面での凝集がなく磁気微粒子を容易に駆動させることができる。また、分離、希釈工程時の液滴の体積比率を制御することにより、磁気微粒子を含んだ試料の濃縮、洗浄を効率的に行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の化学分析装置及び方法によれば、バルブなどが不要となるため、装置を小型化して、コストを下げることができるとともに、携帯化が可能となる。また、磁気微粒子を含む液滴を、反応、分離、希釈、検出の各ユニット間で搬送することにより、一連の化学もしくは生化学反応及び検出を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明による小型化学分析装置における試料処理の流れを図１に示す。
図１において、磁気ビーズなどの磁気微粒子表面に試料を吸着、固定させることにより、磁気微粒子を含む試料である液滴を装置の導入ユニットに導入する（ステップＳ１）。その後、その液滴を磁気力により反応ユニットに搬送し、反応試薬との混合及び反応処理を行う（ステップＳ２）。この場合、反応処理に応じて温度制御も行う。次に、反応後の液滴を分離ユニットに搬送し、ここで不要になった大部分の反応溶媒と磁気微粒子を含む最小限の溶媒とに分離する（ステップＳ３）。磁気微粒子を含む液滴は希釈ユニットに搬送され、ここで液滴の成分検出用に希釈される（ステップＳ４）。なお、この処理は必要に応じて削除することもある。また、分離及び希釈ユニットの組み合わせを複数個連続して設けることにより希釈効率を高めるように構成することもできる。液滴を希釈した後は検出ユニットに搬送し、ここで反応処理の結果を計測する（ステップＳ５）。なお、検出には光学的な手法を用いるが、これ以外にも必要に応じて、電気的、化学的手法を用いるようにする。検出後、液滴は装置から排出される（ステップＳ６）。以上のように、本発明による小型化学分析装置では、磁気微粒子を含む液滴を、反応、分離、希釈、検出ユニットに逐次搬送することにより一連の生化学反応及び検出を行うことができる。
【００１８】
次に、この小型化学分析装置における液滴搬送メカニズムを図２に示す。
図２において、液滴１の搬送には液滴内部に閉じ込めた磁気微粒子２を利用する。例えば永久磁石などの外部磁場発生装置７により液滴内部に分散している磁気微粒子２を招集するとともに、磁気微粒子２に作用する磁気力を利用して液滴１を搬送する。また、磁気微粒子２は、試料の搬送用としての役目も担っており、その実体は磁気微粒子表面３に試料４が吸着して固定されている状態のものを示している。液滴１の形成には表面張力が利用される。すなわち、ユニット内に充満させたシリコーンオイル５中に磁気微粒子２を含んだ試料４を溶媒と共にスポイトなどにより滴下して液滴１を形成する。溶媒には試料４の生化学的な性質が変化しないような液体が用いられる。なお、上述した磁気微粒子２の表面に試料４が吸着することにより形成される液滴１に限らず、液滴１−１に示すように、磁気微粒子２の隙間を含めて液滴１−１中に試料４−１が一様に分散している状態で液滴１−１を形成するようにしてもよい。液滴１では磁気微粒子２が試料４の直接的なキャリアとなるのに対して、液滴１−１では磁気微粒子２が試料４−１の間接的なキャリアとなる。この液滴１−１の場合には、上述した液滴１と同様の作用となるが、試料の搬送の自由度がより広がることになる。以下の説明において、液滴１のみを説明するが、液滴１−１についても同様に適用されるものである。また、液滴１及び液滴１−１が混合した状態であってもよい。
【００１９】
液滴１の搬送には磁気微粒子２に作用する磁気力が利用される。ユニット下部に配置された薄板６を介して例えば永久磁石などの外部磁場発生装置７を図示しない駆動装置により矢印８で示す移動方向に移動させると、それに伴い磁気微粒子２が引きつけられ、その結果、磁気微粒子２を覆っている液滴１が移動する。本発明による小型化学分析装置における液滴搬送メカニズムでは、磁気微粒子２が液滴１内部に閉じ込められているために、磁気微粒子２が流路となる薄板６表面上に吸着することはない。その結果、磁気力で磁気微粒子２を容易に操作することができると共に、試料搬送用として用いている磁気微粒子２を搬送中に脱落させることなく搬送させることができる。
【００２０】
なお、上述した装置の導入ユニットは、上方を除く４方向の側面及び下面が薄板６により覆われているものとする。また、磁気微粒子２に作用する外部磁場７の磁気力に対応するように予め磁気微粒子２の大きさ及び数を決定することにより、液滴の搬送をスムーズに行うことができる。
【００２１】
本発明による実施の形態の例では、磁気微粒子２として酸化鉄材をベースとするものを用いている。また、磁気微粒子２の大きさは例えば数１０ミクロン〜数１０ナノメートルである。なお、磁気微粒子２の大きさは試料の種類及び外部磁場発生装置７の駆動装置の仕様に基づいて決定するのが望ましい。駆動装置としては、例えば、ラックアンドピニオンの機構とモータを用いて、モータの回転によりラック上を外部磁場発生装置７を移動させるものが用いられる。また、駆動経路は、上述した各ユニットの直線状又は／及び円状の組み合わせに対応して、適宜、形成される。
【００２２】
また、液滴形成用の溶媒も試料の種類により決定される。例えば、生化学物質が試料の場合には溶媒として緩衝液が用いられる。また、外部磁場発生装置７としては永久磁石もしくは後述するようにアレイ状に配置したコイルが用いられる。外部磁場発生装置７に永久磁石を用いる場合には、試料の種類に応じて磁気微粒子２を搬送するための永久磁石の磁場の強度を操作する必要があるが、この場合には比較的大きな磁気力を得ることができる。一方、外部磁場発生装置７にアレイ状に配置したコイルを用いる場合には、永久磁石に比べて得られる磁場の強度が小さくなるが、外部磁場を電気的な方法で制御することができ、装置全体を小型化することができる。
【００２３】
具体的な液滴の反応、分離、希釈の操作は、液滴を融合、分割することにより実施することができる。この反応、分離、希釈の３つの液滴の操作の例を以下に順次説明する。
図３は、上述した小型化学分析装置における液滴を用いた反応方法の例を示すものである。図３（ａ）は液滴搬送工程、図３（ｂ）は隔壁通過工程、図３（ｃ）は液滴接触工程、図３（ｄ）は液滴融合工程を示す図である。
装置のユニットは、上方を除く４方向の側面及び下面が薄板６により覆われていると共に、各ユニットはそれぞれ隔壁９−１、９−２、９−３により隔てられているものとする。
【００２４】
基本的な操作としては、図３（ａ）に示す液滴搬送工程において試料を固定した磁気微粒子２を含む液滴１を外部磁場発生装置７からの磁気力により搬送し、図３（ｂ）に示す隔壁通過工程において反応ユニットに至る隔壁９−２を通過させた後、図３（ｃ）に示す液滴接触工程及び図３（ｄ）に示す液滴融合工程において反応試薬の液滴１０と融合させて試料の反応処理を行うようにする。
【００２５】
このため、図３（ａ）に示す液滴搬送工程において隔壁９−２、９−３により形成される反応ユニットには予め反応試薬の液滴１０を形成しておくようにする。また、隔壁９−１、９−２により形成される導入ユニットには予め磁気微粒子２とその表面に試料が吸着した液滴１が導入されている。
【００２６】
このとき、反応試薬の液滴１０は隔壁９−２、９−３により一定の場所に固定されるようにしておく。反応ユニットを形成する薄板６の内側表面及び隔壁９−２、９−３の材質としては、反応試薬の液滴１０に対してよりもシリコーンオイル５に対する方がぬれ性の良いものにすることにより、反応試薬の液滴１０を反応ユニット内部に閉じ込めることができる。例えば、薄板６及び隔壁９−２、９−３は、ガラス板にパリレン樹脂を蒸着させることにより、疎水化処理を施すようにしてもよい。なお、ここでは高さ方向に流路を狭くする隔壁９−１、９−２のみを示したが、高さ方向と直交する横（幅）方向に流路を狭くする隔壁を設けるようにしてもよい。以下の説明において、高さ方向に流路を狭くする隔壁９−１、９−２のみを説明するが、横（幅）方向に流路を狭くする隔壁についても同様に適用されるものである。
【００２７】
図３（ｂ）に示す隔壁通過工程において、磁気微粒子２を含む液滴１を外部磁場発生装置７からの磁気力により搬送し、反応ユニットに至る隔壁９−２を通過させた後、図３（ｃ）に示す液滴接触工程において磁気微粒子２を含む液滴１を反応試薬の液滴１０と接触させる。磁気微粒子２を含む液滴１は反応試薬の液滴１０に比べて体積が小さいので反応ユニットに至る隔壁９−２を通過することができる構成になっている。また、二つの液滴同士のぬれ性が良いことから接触することで二つの液滴が一つになる。
【００２８】
図３（ｄ）に示す液滴融合工程において、二つの液滴が一つの融合液滴１１になった後、図３（ｅ）に示す磁気微粒子分散工程において磁気微粒子２を融合液滴１１中に分散させる。これは、磁気微粒子２表面に吸着している試料の反応効率を上げるためである。この分散の方法としては、外部磁場発生装置７を矢印８で示すように融合液滴１１から離れる方向に移動させて磁気力を弱くするように制御する方法が用いられる。また、この方法に限らず、熱、光、又はｐＨ（ペーハー）による物理的及び化学的な反応を利用した磁気微粒子２の凝集及び分散現象を用いることも考えられる。図３（ｅ）では永久磁石を外部磁場発生装置７として用いて、永久磁石を離れる方向に移動させて磁気微粒子２を融合液滴１１内に分散させる様子を示した。
【００２９】
次に、上述した小型化学分析装置における液滴を用いた分離・分割方法の例を図４に示す。
装置のユニットは、上方を除く４方向の側面及び下面が薄板６により覆われていると共に、各ユニットはそれぞれ隔壁９−１、９−２、９−３により隔てられているものとする。ここで分離させる液滴は、例えば図３の反応操作において生成された融合液滴１１である。
【００３０】
以下、図４に示す液滴の分離・分割方法について説明する。
図４（ａ）は液滴搬送工程、図４（ｂ）は隔壁通過工程、図４（ｃ）は液滴トラップ工程、図４（ｄ）は液滴分離工程を示す図である。
融合液滴１１の分離は、まず、図４（ａ）に示す液滴搬送工程において、融合液滴１１を外部磁場発生装置７からの磁気力を用いて分離ユニットに至る隔壁９−２の手前まで搬送する。
【００３１】
その後、図４（ｂ）に示す隔壁通過工程において分離ユニットに至る隔壁９−２の下の方へ融合液滴１１を移動させる。すると、隔壁９−２に対する融合液滴１１自体のぬれ性が良くないために、図４（ｃ）に示す液滴トラップ工程において融合液滴１１の大部分は隔壁９−２にトラップ（捕捉）され、磁気微粒子を含んだ融合液滴１１の周辺部分のみが外部磁場発生装置７の磁気力に追従して移動する。その結果、融合液滴１１は磁気微粒子を含まない部分と磁気微粒子を含む部分との間に首状部分ができるネッキングが発生する。
【００３２】
さらに外部磁場装置７の移動により磁気微粒子を移動させると、ネッキングが大きくなり最終的には図４（ｄ）に示す液滴分離工程において、融合液滴１１は、磁気微粒子を含んだ液滴１３と、磁気微粒子を含んでいない液滴１２とに分割される。このように融合液滴１１は、そのぬれ性を利用して磁気微粒子を含んだ液滴１３と、磁気微粒子を含んでいない液滴１２とに分離される。この分離・分割方法では、融合液滴１１の体積と隔壁９−２の高さを調整することで分割比率を制御することができる。また、隔壁９−２を通過させるだけで、融合液滴１１を磁気微粒子を含んだ液滴１３と、磁気微粒子を含んでいない液滴１２とに分離することができる。
【００３３】
次に、上述した小型化学分析装置における液滴を用いた希釈方法の例を図５に示す。図５（ａ）は液滴搬送工程、図５（ｂ）は隔壁通過工程、図５（ｃ）は液滴融合工程、図５（ｄ）は液滴分散工程を示す図である。
希釈操作は、基本的には図３に示した反応ユニットと同じメカニズムで行うことができ、図５において、図４の分割操作で得られた希釈の対象となる水溶液物質及び磁気微粒子を含んだ液滴１３と、希釈用液滴１４とを融合させることにより行う。
【００３４】
まず、図５（ａ）に示す液滴搬送工程において磁気微粒子を含んだ液滴１３を外部磁場発生装置７からの磁気力により搬送する。そして、融合ユニットに至る隔壁９−２を通過した後、希釈用液滴１４と融合させて、試料の希釈処理を行う。このとき、図５（ａ）に示す液滴搬送工程において隔壁９−２、９−３により形成される希釈ユニットには希釈用液滴１４が予め用意されている。また、隔壁９−１、９−２により形成される導入ユニットには予め磁気微粒子を含んだ液滴１３が導入されている。
【００３５】
希釈用液滴１４は、隔壁９−２、９−３により一定の場所に固定されるようにしておく。ここで、希釈ユニットを形成する薄板６の内側表面及び隔壁９−２、９−３の材質として、希釈用液滴１４に対してよりもシリコーンオイル５に対する方がぬれ性の良いものにすることにより、希釈用液滴１４を希釈ユニット内部に閉じ込めることができる。また、この点は、図３の反応ユニットにおける融合液滴１１、図４の分離ユニットにおける磁気微粒子を含んだ液滴１３、磁気微粒子を含んでいない液滴１２も同様である。
【００３６】
図５（ｂ）に示す隔壁通過工程において磁気微粒子を含んだ液滴１３を外部磁場発生装置７からの磁気力により搬送し、反応ユニットに至る隔壁９−２を通過させた後、図５（ｃ）に示す液滴接触工程において磁気微粒子を含んだ液滴１３を希釈用液滴１４と融合させる。これにより、磁気微粒子を含んだ液滴１３に含まれた水溶性物質が希釈用液滴１４により希釈される。ここで、磁気微粒子を含む液滴１３は希釈用液滴１４に比べて体積が小さいので希釈ユニットに至る隔壁９−２を通過することができる構成になっている。また、二つの液滴同士のぬれ性が良いことから接触することで二つの液滴が一つになる。
【００３７】
図５（ｃ）に示す液滴融合工程において二つの液滴が一つの融合液滴１５になった後、図５（ｄ）に示す磁気微粒子分散工程において希釈対象の水溶性物質の希釈効率を上げるために、磁気微粒子２を融合液滴１５中に分散させる。分散の方法としては、外部磁場発生装置７を矢印８で示すように融合液滴１５から離れる方向に移動させて磁気力を弱くするように制御する方法が用いられる。この方法以外に、熱、光、又はｐＨ（ペーハー）による物理的及び化学的な反応を利用した磁気微粒子２の凝集及び分散現象を用いることもできる。図５（ｄ）では永久磁石を外部磁場発生装置７として用いて、永久磁石を離れる方向に移動させて磁気微粒子２を融合液滴１５内に分散させる様子を示した。
ここで、希釈倍率は、融合液滴１５の体積比率を制御することにより変えることができる。また、このようにして液滴を希釈した後に、反応処理の結果の試料の検出には吸光あるいは発光などの光学的な手法を用いて反応後の試料の変化を計測する。
【００３８】
上述した図４及び図５の操作例では、液滴の分離及び融合機能を各ユニット毎に行う場合を示したが、一つのユニットで液滴の分離及び融合機能を有する例を図６に示す。
装置のユニットは、上方を除く４方向の側面及び下面が薄板６により覆われていると共に、各ユニットはそれぞれ隔壁９−１、９−３により隔てられているものとする。ここで分離させる液滴は、例えば図３の反応操作において生成された融合液滴１１であり、融合させる液滴は図５の希釈操作で示した希釈用液滴１４である。
【００３９】
以下、図６に示す一つのユニットで液滴の分離及び融合機能を有する例における、液滴の分離について説明する。図６（ａ）は液滴搬送工程、図６（ｂ）は隔壁通過工程、図６（ｃ）は液滴トラップ工程、図６（ｄ）は液滴分離工程、図６（ｅ）は液滴接触工程、図６（ｆ）は液滴融合工程、図６（ｇ）は反応試薬洗浄工程を示す図である。
まず、図６（ａ）に示す液滴搬送工程において融合液滴１１を外部磁場発生装置７からの磁気力により搬送し、図６（ｂ）に示す隔壁通過工程において分離・融合ユニットに至る幅広隔壁２０の下を融合液滴１１を通過させることにより、図６（ｃ）に示す液滴トラップ工程において融合液滴１１をトラップ（捕捉）し、図６（ｄ）に示す液滴分離工程において融合液滴１１を磁気微粒子を含まない液滴１２と磁気微粒子を含む液滴１３に分離する。
【００４０】
図６（ｅ）に示す液滴接触工程及び図６（ｆ）に示す液滴融合工程において磁気微粒子を含む液滴１３を希釈用液滴１４と接触、融合させることにより、図６（ｇ）の反応試薬洗浄工程に示すように反応試薬の洗浄が行われる。
【００４１】
この図６に示す一つのユニットで液滴の分離及び融合機能を有する例では、導入ユニットと分離・融合ユニット間に設ける隔壁の幅を大きくして幅広隔壁２０として構成することにより、融合液滴１１の磁気微粒子を含む液滴１３と融合液滴１１の磁気微粒子を含まない液滴１２の分離を幅広隔壁２０下の通過時に行い、その後、磁気微粒子を含む液滴１３が幅広隔壁２０下を潜り抜けた後に、磁気微粒子を含む液滴１３と希釈用液滴１４とが融合するように構成されている。
【００４２】
この図６に示す一つのユニットで液滴の分離及び融合機能を有する例によれば、図３の反応操作において生成された反応後の融合液滴１１を幅広隔壁２０により分割し、これにより、試料を表面に吸着した磁気微粒子を含む液滴１３のみを抽出し、その後、希釈用液滴１４と融合させることで試薬を洗浄するという工程を簡単に実現することができる。
【００４３】
また、本例によれば、融合液滴１１の分割比率及び融合液滴１５の融合比率を変えることにより洗浄効率を簡単に変えることができる。そして、このような構成をシリーズに配置することにより反応試薬の洗浄効率をさらに高めることができる。
【００４４】
上述した実施の形態の各例で説明したとおり、図３に示した反応後の融合液滴１１の分散及び図５に示した希釈後の融合液滴１５の分散以外の、図３〜図６に示した液滴の搬送時及び分割時には磁気微粒子を凝集状態にする。外部磁場発生装置７による外部磁場により磁気微粒子に作用する磁気力は磁気微粒子の体積に依存するので、それが大きいほど強い力が得られる。しかし、実際に用いる磁気微粒子は直径数１０ミクロン以下と小さいため、そこに作用する磁気力も小さいので、液滴を搬送するために十分な磁気力を得ることが難しい。
【００４５】
そこで、以下に説明する実施の形態の例では、液滴の搬送時には磁気微粒子を凝集させて、一つの大きな磁性体にさせることにより大きな磁気力を得て、これにより液滴を容易に搬送するようにしている。また、液滴を分割するときにも、試料搬送の役目を担っている磁気微粒子のみを取り出すために磁気微粒子を凝集させた状態にする。
【００４６】
一方、反応用液滴若しくは希釈用液滴中に磁気微粒子を導入するときには、磁気微粒子を凝集させた状態にしておくと、磁気微粒子の液滴への拡散が良くない状態となる。従って、上記のような条件下では磁気微粒子を液滴中に分散させ、磁気微粒子表面の試料と液滴との反応及び希釈効率を高める必要がある。
【００４７】
以上のように、磁気微粒子は液滴中において、状況に応じて分散若しくは凝集のどちらかの状態に制御されることが要求される。図７は、上記の仕組みを物理的に実施する方法として、液滴内部の磁気微粒子の分散・凝集の制御を行う方法を示すものである。図７（ａ）は反応・希釈工程、図７（ｂ）は搬送・分割工程、図７（ｃ）は搬送・分割工程、図７（ｄ）は反応・希釈工程を示す図である。
装置のユニットは、上方を除く４方向の側面及び下面が薄板６により覆われていると共に、各ユニットはそれぞれ隔壁９−１、９−３により隔てられているものとする。ここで分散・凝集させる液滴は、例えば図３の反応操作において生成された融合液滴１１、あるいは図５の希釈操作において生成された融合液滴１５である。
【００４８】
まず、図７（ａ）に示す反応・希釈工程において、反応・希釈操作で生成された磁気微粒子を含んだ液滴１に対して永久磁石を離れる方向に移動させて磁気微粒子２を液滴１内に分散させる。次に、図７（ｂ）に示す搬送・分割工程において、分散された磁気微粒子を含んだ液滴１に対して永久磁石を近づく方向に移動させて磁気微粒子２を液滴１内に凝集させ、凝集させた磁気微粒子を含んだ液滴１を外部磁場発生装置７からの磁気力により搬送する。続いて、図７（ｃ）に示す搬送・分割工程において、他の反応ユニットに至る図示しない隔壁を通過した後、他の液滴と融合させて、図７（ｄ）に示す反応・希釈工程において永久磁石を外部磁場発生装置７として用いて、永久磁石を離れる方向に移動させて磁気微粒子２を液滴１内に分散させる。
【００４９】
このように、図７（ａ）に示す反応・希釈時には外部磁場を液滴１から遠ざけることにより磁場の強さを弱くして、これにより磁気微粒子２を液滴１内に分散させるように制御する。一方、図７（ｂ）及び図７（ｃ）に示す搬送・分割時には外部磁場を液滴１近傍に近づけて磁気微粒子２を液滴１内に凝集させるように制御し、再び、図７（ｄ）では外部磁場を液滴１から遠ざけ、磁気微粒子２を液滴１内に分散させる。
【００５０】
なお、図７では、外部磁場発生装置７として永久磁石を用いる例のみを示したが、これに限らず、外部磁場発生装置７に後述するようにアレイ状に配置したコイルを用いても良い。なお、この場合には、外部磁場の有無若しくは強弱をコイルに流す電流を制御することにより簡単に制御することができる。
【００５１】
本発明の実施の形態の化学分析装置によれば、上述した図７に示した外部磁場による液滴内部の磁気微粒子の分散・凝集の制御の例に限らず、熱、光、又はｐＨ（ペーハー）による物理的及び化学的な反応を利用して磁気微粒子の分散・凝集の制御を行うことも可能である。
【００５２】
図８は、その一例として熱を利用して磁気微粒子の分散・凝集を制御する例を示すものである。図８（ａ）は液滴導入工程、図８（ｂ）は液滴加熱オン工程、図８（ｃ）は液滴加熱オフ工程、図８（ｄ）は液滴加熱オフ工程、図８（ｅ）は液滴加熱オン工程を示す図である。
【００５３】
この場合には、特に、熱により凝集を起こすように、ポリ−Ｎ−イソプロピルアクリルアミドなどの温度感受性ポリマーで化学修飾した磁気微粒子が用いられる。上記熱応答の磁気微粒子にはいくつかの種類があり、例えば、低温時に凝集、若しくは高温時に凝集するものなどがある。これらの凝集のタイプは磁気微粒子の表面に付ける化学的修飾を変えることにより変更することができる。なお、ｐＨ（ペーハー）応答性ポリマーであるポリオキシエチレンビニルエーテルを用いれば、ｐＨ（ペーハー）変化により上記と同様の効果を得ることができる。
【００５４】
上記熱応答の磁気微粒子を試料搬送に用いた一例を図８を用いて説明する。なお、この例は、上述した低温時に凝集するタイプの場合である。
装置のユニットは、上方を除く４方向の側面及び下面が薄板６により覆われていると共に、各ユニットはそれぞれ隔壁９−１、９−３により隔てられているものとする。ここで分散・凝集させる液滴は、例えば図３の反応操作において生成された融合液滴１１、もしくは図５の希釈操作において生成された融合液滴１５である。
【００５５】
まず、図８（ａ）に示す液滴導入工程において外部磁場発生装置７の移動により磁気微粒子を含んだ液滴１を隔壁９−１側の反応ユニットに導入する。導入後に、図８（ｂ）に示す液滴加熱オン工程において反応ユニット下部の薄板６−２に設けられたヒータ３０−１への通電及び加熱の状態をオンにすることにより液滴１の温度をある一定レベル以上にする。この温度を磁気微粒子２の分散条件及び反応促進温度の二つを満たすように設定することにより、分散及び反応の両方の効率を上げることができる。
【００５６】
反応終了後、液滴１を隔壁９−３側の他の反応ユニットに搬送する場合には、図８（ｃ）に示す液滴加熱オフ工程においてヒータ３０−１への通電及び加熱の状態をオフにすることにより磁気微粒子２を化学的に凝集させてヒータ３０−１下方の外部磁場発生装置７の近傍に集める。
【００５７】
その後、図８（ｄ）に示す液滴加熱オフ工程において液滴の分割、希釈用液滴との融合とを経由した後、ここで再度、図８（ｅ）に示す液滴加熱オン工程において隔壁９−３側の他の反応ユニット下部の薄板６−２に設けられたヒータ３０−２への通電及び加熱の状態をオンにすることにより液滴１を加熱して、磁気微粒子２を希釈用液滴中に分散させる。
【００５８】
以上のような加熱による分散・凝集の制御を用いることにより、液滴内部の磁気微粒子の凝集若しくは分散状態を作り出し、これにより搬送、分割、洗浄などの一連の生化学的操作の効率を高めることができる。図８の例では磁気微粒子の搬送系として例えば永久磁石による外部磁場発生装置７を用いた場合を示したが、この場合、外部磁場発生装置７を移動させる駆動装置を必要とすることはいうまでもない。
【００５９】
また、これに限らず、磁気微粒子の搬送系として搬送系路上に配置したアレイ状の電磁コイルを用いてもよい。図９は、アレイ状のコイルヒータによる液滴内部の磁気微粒子の分散、凝集の制御及び液滴の搬送を示すものである。図９（ａ）は液滴加熱オン工程、図９（ｂ）は液滴加熱オフ工程、図９（ｃ）は搬送工程、図９（ｄ）は融合液滴加熱オフ工程、図９（ｅ）は融合液滴加熱オン工程を示す図である。
【００６０】
装置のユニットは、上方を除く４方向の側面及び下面が薄板６により覆われていると共に、各ユニットはそれぞれ隔壁９−１、９−３により隔てられているものとする。ここで分散・凝集させる液滴は、例えば図３の反応操作において生成された融合液滴１１、又は図５の希釈操作において生成された融合液滴１５である。
【００６１】
まず、図９（ａ）に示す液滴加熱オン工程において、反応ユニット下部に設けられたヒータ３０−１への通電及び加熱の状態をオンにし、これにより液滴１の温度をある一定レベル以上にする。この温度を磁気微粒子２の分散条件及び反応促進温度の二つを満たすように設定することにより、分散及び反応の両方の効率を上げることができる。
【００６２】
反応終了後、液滴１を隔壁９−３側の他の反応ユニットに搬送する。すなわち、図９（ｂ）に示す液滴加熱オフ工程において、ヒータ３０−１への通電及び加熱の状態をオフにすることにより磁気微粒子２を化学的に凝集させてヒータ３０−１下方の外部磁場発生装置７の近傍に集める。この状態で、図９（ｃ）に示す搬送工程において搬送系路上に配置したアレイ状コイル３１−１〜３１−６に対して順次移動方向へ通電制御し、これにより、得られる磁気力が移動方向へ向けて移動するため、凝集させた磁気微粒子を含んだ液滴１が順次移動方向へ向けて搬送される。
【００６３】
その後、図９（ｄ）に示す融合液滴加熱オフ工程において、液滴の分割、希釈用液滴との融合とを経由した後、ここで再度、図９（ｅ）に示す融合液滴加熱オン工程において隔壁９−３側の他の反応ユニット下部に設けられたヒータ３０−２への通電及び加熱の状態をオンにすることにより融合液滴１５を加熱して、磁気微粒子２を希釈用液滴中に分散させる。
【００６４】
以上のような加熱による分散・凝集の制御を用いることにより、液滴内部の磁気微粒子の凝集若しくは分散状態を作り出し、これにより搬送、分割、洗浄などの一連の生化学的操作の効率を高めることができ、さらに、磁気微粒子の搬送系としてアレイ状コイル３１−１〜３１−６を用いることにより、液滴内部の磁気微粒子の分散、凝集の制御及び液滴の搬送の全ての工程を電気的な制御のみで行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】小型化学分析装置における試料処理の流れを示す図である。
【図２】小型化学分析装置における液滴搬送メカニズムを示す図である。
【図３】小型化学分析装置における反応方法を示す図であり、図３（ａ）は液滴搬送工程、図３（ｂ）は隔壁通過工程、図３（ｃ）は液滴接触工程、図３（ｄ）は液滴融合工程、図３（ｅ）は磁気微粒子分散工程を示す図である。
【図４】小型化学分析装置における分離・分割方法を示す図であり、図４（ａ）は液滴搬送工程、図４（ｂ）は隔壁通過工程、図４（ｃ）は液滴トラップ工程、図４（ｄ）は液滴分離工程を示す図である。
【図５】小型化学分析装置における希釈方法を示す図であり、図５（ａ）は液滴搬送工程、図５（ｂ）は隔壁通過工程、図５（ｃ）は液滴融合工程、図５（ｄ）は液滴分散工程を示す図である。
【図６】小型化学分析装置における分離及び融合機能を示す図であり、図６（ａ）は液滴搬送工程、図６（ｂ）は隔壁通過工程、図６（ｃ）は液滴トラップ工程、図６（ｄ）は液滴分離工程、図６（ｅ）は液滴接触工程、図６（ｆ）は液滴融合工程、図６（ｇ）は反応試薬洗浄工程を示す図である。
【図７】液滴内部の磁気微粒子の分散・凝集の制御を示す図であり、図７（ａ）は反応・希釈工程、図７（ｂ）は搬送・分割工程、図７（ｃ）は搬送・分割工程、図７（ｄ）は反応・希釈工程を示す図である。
【図８】磁気微粒子の熱による分散・凝集の制御を示す図であり、図８（ａ）は液滴導入工程、図８（ｂ）は液滴加熱オン工程、図８（ｃ）は液滴加熱オフ工程、図８（ｄ）は液滴加熱オフ工程、図８（ｅ）は液滴加熱オン工程を示す図である。
【図９】アレイ状のコイルヒータによる液滴内部の磁気微粒子の分散、凝集の制御及び液滴の搬送を示す図であり、図９（ａ）は液滴加熱オン工程、図９（ｂ）は液滴加熱オフ工程、図９（ｃ）は搬送工程、図９（ｄ）は融合液滴加熱オフ工程、図９（ｅ）は融合液滴加熱オン工程を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１…液滴、２…磁気微粒子とその表面に吸着した試料、３…磁気微粒子、４…試料、５…シリコーンオイル、６…薄板、７…磁場発生装置（永久磁石）、８…磁場発生装置の移動方向、９…隔壁、１０…反応用液滴、１１…磁気微粒子と試料を含んだ反応用液滴、１２…分割された液滴（磁気微粒子と試料を含んでいない部分）、１３…分割された液滴（磁気微粒子と試料を含んでいる部分）、１４…希釈用液滴、１５…磁気微粒子が希釈用液滴内部で分散している状態、２０…幅広隔壁、３０…ヒータ、３１…アレイ状コイル、
【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】
0004417332.tif 000007
【図７】
0004417332.tif 000008
【図８】
0004417332.tif 000009
【図９】
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