(57)【要約】  微細流路が設けられ、試薬収容部よりも微細流路上流側にマイクロポンプへ連通させる流路開口部が設けられた検査チップと、駆動液を収容した駆動液タンクと、一枚のチップの面方向における各位置に複数のマイクロポンプが設けられ、それぞれのマイクロポンプの上流側が駆動液タンクへ連通され、その下流側に検査チップの微細流路へ連通させる流路開口部が設けられたマイクロポンプユニットと、マイクロポンプユニットおよび駆動液タンクが１つの収納体に収納されたシステム装置本体と、を備えたマイクロ総合分析システムであり、検査チップをシステム装置本体に装着した状態で分析が行われ、該検査チップのシステム装置本体からの着脱に対応して、マイクロポンプユニットの流路開口部における圧力の向きを変更させる機構を有する。
2007145040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一連の微細流路が設けられ、微細流路における試薬の収容位置よりも上流側にマイクロポンプへ連通させる流路開口部が設けられた検査チップと、
試薬を上流側から押して検査チップの微細流路の下流方向へ送液する駆動液を収容した駆動液タンクと、
一枚のチップの面方向における各位置に複数のマイクロポンプが設けられ、それぞれのマイクロポンプの上流側が駆動液タンクへ連通され、その下流側に検査チップの微細流路へ連通させる流路開口部が設けられたマイクロポンプユニットと、
該マイクロポンプユニットおよび該駆動液タンクが１つの収納体に収納されて一体化されたシステム装置本体と、
を備え、検査チップをマイクロポンプユニットに対してこれらの流路開口部が重なるように接続した後、マイクロポンプによって駆動液を検査チップの微細流路へ送液し、試薬を下流側へ押し出すことにより試薬と検体とを合流させて反応させ、該反応を検出することによって検体中の標的物質を分析するマイクロ総合分析システムであって、
検査チップをシステム装置本体に装着した状態で検体の分析が行われ、該検査チップのシステム装置本体からの着脱に対応して、マイクロポンプユニットの流路開口部における送液圧力の向きを変更させる機構を有することを特徴とするマイクロ総合分析システム。
【請求項２】
マイクロポンプユニットにおけるすべてのマイクロポンプが１つの駆動液タンクに連通され、該駆動液タンクに収容された駆動液がそれぞれのマイクロポンプから検査チップの微細流路へ送液されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のマイクロ総合分析システム。
【請求項３】
少なくともマイクロポンプユニットの開口部から検査チップが離脱するときに、該チップと接合していたマイクロポンプユニットの流路開口部には、該ポンプの吐出方向とは逆向きの圧力がかかっていることを特徴とする、請求の範囲第１項または第２項に記載のマイクロ総合分析システム。
【請求項４】
検査チップの離脱の時のみ、該チップと接合していたマイクロポンプユニットの流路開口部に、ポンプの吐出方向とは逆向きの圧力が負圧として働くことを特徴とする請求の範囲第１項〜第３項のいずれかに記載のマイクロ総合分析システム。
【請求項５】
前記の逆向きの圧力または負圧は、駆動液タンク内の水面がチップとの接合部よりも低くすることにより発生させることを特徴とする、請求の範囲第３項または第４項に記載のマイクロ総合分析システム。
【請求項６】
前記駆動液タンクが上下に移動可能であることを特徴とする請求の範囲第１項〜第５項のいずれかに記載のマイクロ総合分析システム。
【請求項７】
前記マイクロポンプユニットの流路開口部における圧力の向きの変更は、カートリッジ型の駆動液タンクに付設された負圧発生機構によることを特徴とする、請求の範囲第１項〜第４項のいずれかに記載のマイクロ総合分析システム。
【請求項８】
前記負圧発生機構は弾性体の復元力に基づく付勢によって発生させることを特徴とする請求の範囲第７項に記載のマイクロ総合分析システム。
【請求項９】
前記負圧の絶対値が最大５ｍｍＡｑであることを特徴とする請求の範囲第１項〜第８項のいずれかに記載のマイクロ総合分析システム。
【請求項１０】
前記マイクロポンプは、
流路抵抗が差圧に応じて変化する第１流路と、
差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合が第１流路よりも小さい第２流路と、
第１流路および第２流路に接続された加圧室と、
電圧によって駆動され該加圧室の内部圧力を変化させるアクチュエータと、
を備えることを特徴とする請求の範囲第１項〜第９項のいずれかに記載のマイクロ総合分析システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液漏れ防止機構を備えたマイクロ総合分析システムに関する。検体と試薬とを混合して反応させ、該反応を検出する一連の微細流路が設けられた検査チップを用いて検体中の標的物質を分析するシステムである。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロマシン技術および超微細加工技術を駆使することにより、従来の試料調製、化学分析、化学合成などを行うための装置、手段(例えばポンプ、バルブ、流路、センサーなど)を微細化して１チップ上に集積化したシステムが開発されている（特許文献１）。これは、μ−ＴＡＳ（Micro total Analysis System）、バイオリアクタ、ラブ・オン・チップ（Lab-on-chips）、バイオチップとも呼ばれ、医療検査・診断分野、環境測定分野、農産製造分野でその応用が期待されている。【０００３】
各種の分析、検査ではこれらの検査用チップにおける分析の定量性、解析の精度、経済性などが重要視される。そのためにはシンプルな構成で、高い信頼性の送液システムを確立することが課題である。精度が高く、信頼性に優れるマイクロ流体制御素子が求められている。これに好適なマイクロポンプシステムおよびその制御方法を本発明者らはすでに提案している（特許文献２〜４）。【０００４】
ポンプを使用して検査チップの微細流路に送液する場合に、途中で液漏れが発生すると、定量的な送液が困難となるのみならず、円滑な送液もできない。マイクロポンプとチップとの接続部はゴムパッキングであることが多いが、その部分が濡れていると両者が接続したときに、特に液漏れが発生しやすい。このような液体の漏れ出しを防止する簡便な機構が必要とされている。【０００５】
他方、インクジェットによる画像形成装置において、液状物であるインクを収容したインク供給用貯蔵部のその液面と、インクヘッドのインク吐出口との距離を一定に保つ負圧調整機構を有する装置が提案された（特許文献５）。負圧調整には、インクタンクの上下動、弾性体の付勢などが利用される。かかる機構によりインク消費に基づく負圧の変動を補償して安定な吐出を確保することができる。
【特許文献１】特開２００４−２８５８９号公報
【特許文献２】特開２００１−３２２０９９号公報
【特許文献３】特開２００４−１０８２８５号公報
【特許文献４】特開２００４−２７０５３７号公報
【特許文献５】特開２００６−２７１６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のミクロ化分析システムを用いる分析においては、検査用チップの他に、例えばマイクロポンプ、検出装置、温度制御装置など、チップの微細流路内での送液、反応およびその検出などを制御するための各種の装置が必要になる。したがって、装置内で液漏れが発生すると分析のみならず各装置の機能にも重大な支障が生じる。本発明は、送液の液漏れを簡便な仕組みで確実に防止する機構を設けることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のマイクロ総合分析システムは、
一連の微細流路が設けられ、微細流路における試薬の収容位置よりも上流側にマイクロポンプへ連通させる流路開口部が設けられた検査チップと、
試薬を上流側から押して検査チップの微細流路の下流方向へ送液する駆動液を収容した駆動液タンクと、
一枚のチップの面方向における各位置に複数のマイクロポンプが設けられ、それぞれのマイクロポンプの上流側が駆動液タンクへ連通され、その下流側に検査チップの微細流路へ連通させる流路開口部が設けられたマイクロポンプユニットと、
該マイクロポンプユニットおよび該駆動液タンクが１つの収納体に収納されて一体化されたシステム装置本体と、
を備え、検査チップをマイクロポンプユニットに対してこれらの流路開口部が重なるように接続した後、マイクロポンプによって駆動液を検査チップの微細流路へ送液し、試薬を下流側へ押し出すことにより試薬と検体とを合流させて反応させ、該反応を検出することによって検体中の標的物質を分析するマイクロ総合分析システムであって、
検査チップをシステム装置本体に装着した状態で検体の分析が行われ、該検査チップのシステム装置本体からの着脱に対応して、マイクロポンプユニットの流路開口部における送液圧力の向きを変更させる機構を有することを特徴としている。【０００８】
マイクロポンプユニットにおけるすべてのマイクロポンプが１つの駆動液タンクに連通され、該駆動液タンクに収容された駆動液がそれぞれのマイクロポンプから検査チップの微細流路へ送液されることが好ましい。【０００９】
少なくともマイクロポンプユニットの開口部から検査チップが離脱するときに、該チップと接合していたマイクロポンプユニットの流路開口部には、該ポンプの吐出方向とは逆向きの圧力がかかっていることを特徴としている。【００１０】
検査チップの離脱の時のみ、該チップと接合していたマイクロポンプユニットの流路開口部に、ポンプの吐出方向とは逆向きの圧力が負圧として働くことが望ましい。【００１１】
前記の逆向きの圧力または負圧は、駆動液タンク内の水面がチップとの接合部よりも低くすることにより発生させてもよい。これは前記駆動液タンクが上下に移動可能であることによる。【００１２】
前記マイクロポンプユニットの流路開口部における圧力の向きの変更は、カートリッジ型の駆動液タンクに付設された負圧発生機構によってもよい。【００１３】
前記負圧発生機構が、弾性体の復元力に基づく付勢によって発生させることが好ましい。【００１４】
好ましくは前記負圧の絶対値が最大５ｍｍＡｑである。【００１５】
本発明のマイクロ総合分析システムにおいて好ましく用いられるマイクロポンプは、
流路抵抗が差圧に応じて変化する第１流路と、
差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合が第１流路よりも小さい第２流路と、
第１流路および第２流路に接続された加圧室と、
電圧によって駆動され該加圧室の内部圧力を変化させるアクチュエータと、
を備えている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のマイクロ総合分析システムは、検査チップをシステム装置本体に装着した状態で検体中の標的物質の分析が行われ、該検査チップのシステム装置本体からの着脱に対応して、マイクロポンプユニットの流路開口部における圧力の向きを変更させる機構を有するために、送液時にはポンプに少し余裕が出て安定した送液ができるようになり、チップの脱離時には液体の漏れ出しという事態の発生を防止できる。【００１７】
液漏れ防止を目的として流路開口部における圧力の向きを変更させる機構ならびに検査チップの微細流路内の各試薬を下流へ送液するためのポンプ機構が、簡易かつコンパクトな構造となっている。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明のマイクロ総合分析システムの構成を示すシステム概要図である。
【図２】図２は、本発明のマイクロ総合分析システムの一実施形態を示した斜視図である。
【図３】図３は、図２のマイクロ総合分析システムにおけるシステム本体の内部構成を示した図である。
【図４】図４は、本発明のマイクロ総合分析システムの実施形態における複数のマイクロポンプおよびこれに連通するチップ接続部の流路配置の一例を示した平面図である。
【図５】図５は、システム装置本体に収容される駆動液タンクの位置が固定されている従来方式を示す。
【図６】図６は、駆動液タンクの昇降により、システム装置本体から検査チップを脱離させたときに、水頭差をなくす方式を示す。
【図７】図７は、弾性体（スポンジ、バネ）の付勢に基づく負圧発生機構を駆動液タンクに付設した方式を示す。
【図８】図８は、本発明のマイクロ総合分析システムの一実施形態における検査チップの平面図である。
【図９】図９は、送液制御部（撥水バルブ）の断面図である。
【図１０】図１０は、図４のマイクロポンプユニットの断面図である。
【符号の説明】
【００１９】
１  マイクロ総合分析システム
２  検査チップ
３  システム装置本体
１１  マイクロポンプユニット
１２，１２ａ〜１２ｉ  マイクロポンプ
１３  チップ接続部
１４  開口
１５，１５ａ〜１５ｃ  開口
１６ａ  貫通孔
１６ｂ  貫通孔
１７  基板
１８  基板
１９  基板
２０，２０ａ，２０ｃ〜  流路
２１  圧電素子
２２  加圧室
２３  第１流路
２４  第２流路
２５  第１液室
２６  第２液室
３１  ポンプ接続部
３２ａ〜３２ｊ  開口
３３ａ〜３３ｃ  試薬収容部
３４ａ,３４ｂ  端部
３５  合流部
３６  試薬混合部
３７  検体収容部
３８  合流部
３９  反応部
４０  検出部
５１  送液制御部（撥水バルブ）
５２  送液制御通路
５３ａ，５３ｂ  流路
５４  液
６１  駆動液タンク
６２  収納体
６３  チップ挿入口
６４  表示部
６５  搬送トレイ
６６  ペルチェ素子
６７  ヒーター
６８  光源
６９  検出器
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明のマイクロ総合分析システムは、図１に示す構成例のマイクロ総合分析システム１であり、
一連の微細流路が設けられ、微細流路における試薬の収容位置よりも上流側にマイクロポンプ１１へ連通させる流路開口部が設けられた検査チップ２と、
試薬を上流側から押して検査チップ２の微細流路の下流方向へ送液する駆動液を収容した駆動液タンク６１と、
一枚の検査チップ２の面方向における各位置に複数のマイクロポンプ１２が設けられ、それぞれのマイクロポンプ１２の上流側が駆動液タンク６１へ連通され、その下流側に検査チップ２の微細流路へ連通させる流路開口部が設けられたマイクロポンプユニット１１と、
該マイクロポンプユニット１１および該駆動液タンク６１が１つの収納体に収納されて一体化されたシステム装置本体３（図１には図示せず）と、
を備え、検査チップ２をマイクロポンプユニット１１に対してこれらの流路開口部が重なるように接続した後、マイクロポンプ１２によって駆動液を検査チップ２の微細流路へ送液し、試薬を下流側へ押し出すことにより試薬と検体とを合流させて反応させ、該反応を検出することによって検体中の標的物質を分析するマイクロ総合分析システムであって、
検査チップ２をシステム装置本体３に装着した状態で検体の分析が行われ、該検査チップ２のシステム装置本体３からの着脱に対応して、マイクロポンプユニット１１の流路開口部における送液圧力の向きを変更させる機構を有することを特徴としている。【００２１】
さらに、システム装置本体３は、
検査チップ２における反応を検出する検出部６９、検査チップ２に光を照射する発光部１２０を制御するＬＥＤ制御部１１９、検査チップ２のバルブを制御するバルブ制御部１１８、検査チップ２の温度を制御するヒータ温度制御部１１７、ペルチェ温度制御部１１４、トレイローディング機構１１５、残量検知部１３１、マイクロポンプ１２を駆動するポンプ駆動部１３０、およびこれらを制御する制御装置１１０とを収納体の内部に備えることが望ましい（図１）。また、データ処理を行うデータ処理部１１１、データ処理の結果を表示する表示部１１２、外部と通信するための入出力部１１３を備えることが望ましい。
＜マイクロ総合分析システム＞
多数の検体を処理する必要がある場合には、検査チップが別途のシステム装置本体に装着されることにより反応と分析が行われる方式が好ましい。本発明では、システム本体と検査チップ２とによりマイクロ総合分析システム１が構成される（図１）。図２はこのマイクロ総合分析システム１の一例を示した斜視図である。図３は、このマイクロ総合分析システム１におけるシステム本体の内部構成を示した図である。これら両図を参照しながらマイクロ総合分析システム１を説明する。システム装置本体３は、分析のための各装置を収納する筺体状の収納体６２を備えている。この収納体６２の内部には、検査チップ２に連通させるための流路開口を有するチップ接続部１３と複数のマイクロポンプ（図２では図示せず）とが設けられたマイクロポンプユニット１１が配置されている。【００２２】
さらに収納体６２の内部には、検査チップ２における反応を検出するための検出処理装置（ＬＥＤなどの光源６８、光電子増倍菅、ＣＣＤカメラといった光学的な検出を行う検出器６９）と、この検出処理装置とマイクロポンプユニット１１とを制御する制御装置（図示せず）とが設けられている。この制御装置によって、マイクロポンプによる送液の制御、検査チップ２における反応を検出する検出処理装置の制御の他、加熱・冷却ユニットによる検査チップ２の温度制御、検査チップ２における反応の制御、データの収集（測定）および処理などを行う。マイクロポンプの制御は、予め送液順序、流量、タイミングなどに関する諸条件が設定されたプログラムに従って、それに応じた駆動電圧をマイクロポンプに印加することによって行う。【００２３】
このマイクロ総合分析システム１では、検査チップ２の微細流路の上流側（例えば試薬収容部、検体収容部などの上流側）に設けられた流路開口およびその周囲のチップ面からなるポンプ接続部３１と、マイクロポンプユニット１１のチップ接続部１３とを液密に密着させた状態で検査チップ２を収納体６２の内部に装着した後に、検査チップ２において検体中の標的物質が分析される。検査チップ２は、搬送トレイ６５に載置されてチップ挿入口６３から収納体６２の内部に導入される。しかし、検査チップ２がマイクロポンプユニット１１に対して加圧された状態で検査チップ２を収納体６２の内部に固定できるのであれば、必ずしも搬送トレイを用いる必要はない。【００２４】
収納体６２の内部には、所定位置に装着された検査チップ２を局所的に加熱もしくは冷却するための加熱・冷却ユニット（ペルチェ素子６６、ヒーター６７が設けられている。例えば、検査チップ２における試薬収容部の領域にペルチェ素子６６を圧接することにより試薬収容部を選択的に冷却し、これによって試薬の変質などを防止するとともに、反応部を構成する流路の領域にヒーター６７を圧接することにより反応部を選択的に加熱し、これによって反応部を反応に適した温度にする。【００２５】
マイクロポンプユニット１１は１つの駆動液タンク６１に接続され、マイクロポンプの上流側はこの駆動液タンク６１に連通している。一方、マイクロポンプの下流側は、マイクロポンプユニット１１の片面に設けられた流路開口に連通されており、それぞれのマイクロポンプに連通した各チップ接続部１３の流路開口と、検査チップ２のポンプ接続部３１に設けられたそれぞれの流路開口とが連結するように検査チップ２がマイクロポンプユニット１１に対して接続される。【００２６】
マイクロポンプによって、駆動液タンク６１に収容された鉱物油などのオイル系あるいは水系の駆動液を、チップ接続部１３を経由して検査チップ２における各液の収容部に送り出し、駆動液によって各収容部の液を検査チップ２の下流側へ押し出して送液する。【００２７】
測定試料である検体の前処理、反応および検出の一連の分析工程は、マイクロポンプ、検出処理装置および制御装置とが一体化されたシステム本体１に、検査チップ２を装着した状態で行なわれる。好ましくは、試料および試薬類の送液、前処理、混合に基づく所定の反応および光学的測定が、一連の連続的工程として自動的に実施され、測定データが、必要な条件、記録事項とともにファイル内に格納される。図２では、分析の結果が収納体６２の表示部６４に表示されるようになっている。
＜流路内液体の駆動機構＞
本発明の分析システムにおいて、マイクロポンプユニット１１におけるすべてのマイクロポンプ１２が１つの駆動液タンク６１に連通されており、駆動液タンク６１に収容された駆動液がそれぞれのマイクロポンプ１２から検査チップの微細流路へ送液される。そうした駆動液は、試薬、検体液を検査チップ内の微細流路に流して所定の反応部位、検出部位に送り込むための他、これらの液体を検査チップ２に導入するためにも用いられる。このように、各試薬を送液するためのすべてのマイクロポンプ１２を１つの検査チップ２に対して配設し、分析時にこのマイクロポンプ１２のチップ接続部１３（開口部）と検査チップ２のポンプ接続部３１（開口部）とを重ね合わせて互いの流路を連通させるようにしたので、検査チップ２内の試薬を微細流路の下流へ押し出すポンプ機構をコンパクトな構造とすることができる。【００２８】
さらに、複数のマイクロポンプが単一の駆動液タンクを共有し、駆動液タンク６１とチップ状のマイクロポンプユニット１１との接続には特別な配管、引き回しのチップなど必要ないために、検査チップ２内の試薬を微細流路の下流へ押し出すポンプ機構をコンパクトな構造とすることができる。【００２９】
マイクロポンプ１２と検査チップ２との接続部分は、液漏れが起こらないようにしっかりと接続する必要がある。特に接続部が液体で濡れた状態にあると、チップと接続したときに特に液漏れを起こしやすくなる。分析用マイクロチップにあっては、その接続部は通常、ゴムパッキングであることが多い。ところがそうした接続部が液体で濡れた状態でマイクロポンプとチップとが接続すると、液漏れを起こしやすくなる。したがって、マイクロポンプとチップの接続部分が液漏れを起こさないようにし、当該部分が濡れた状況にすることを回避する必要があった。【００３０】
このような液漏れを防止する機構として、該検査チップのシステム装置本体からの着脱に対応して、マイクロポンプユニットの流路開口部における圧力の向きを変更させる機構が簡便、かつ確実であり好ましい。すなわち、少なくともマイクロポンプユニットの開口部（チップ接続部１３）から検査チップが離脱させるときは、該チップと接合するマイクロポンプユニットのチップ接続部１３にある流路開口部には、該ポンプの吐出方向とは逆向きの圧力がかかっているようにするようにして、マイクロポンプユニットと検査チップ間の接続部分から液漏れの発生を防止するものである。逆向きの圧力は、ポンプ、吐出口の大きさなどに依存するが、概ね５ｍｍＡｑ（または５ｍｍＨ2Ｏ）程度である。【００３１】
そうした機構を本発明の分析システム装置本体および駆動液タンクとの連携により実現している。本発明はそのための機構として、駆動液タンクの位置を変える方式と、駆動液タンクに負圧発生機構を付設する方式とを提案する。いずれの方式によってもよいが、少なくともマイクロポンプユニットの開口部から検査チップが離脱するときに、該チップと接合していたマイクロポンプユニットの流路開口部には、該ポンプの吐出方向とは逆向きの圧力がかかっているようにする必要がある。これは２以上の検査チップを順次、同じシステム装置本体に装着して次々と分析を行う際（特に多数の検体を処理する必要がある場合）、検査チップと接続するマイクロポンプの開口部部分が液漏れにより濡れた状態にしないためである。そうした状態による不具合は上記のとおりである。
・従来例
図５のような構成は、従来の駆動液送出方式によるものである。図５（ａ）は検査チップ２にマイクロポンプ１２から駆動液を送出している状態を示す断面図、図５（ｂ）は検査チップ２をマイクロポンプ１２から離脱した状態を示す断面図である。
図５（ａ）に示すように検査チップ２の流路５３はゴムパッキング９１を介してマイクロポンプ１２の吐出側の開口部と連通している。また、検査チップ２を好ましくは駆動液タンクをマイクロポンプユニットよりも若干高い位置にすることにより、マイクロポンプに対してその送液方向に重力による弱い圧力をかけて、ポンプによる円滑な送液を図っている。しかしながら、駆動液タンク６１内の液面がゴムパッキング９１のチップ接続部９５の位置より図５（ｂ）の矢印で示すようにＹφだけ高い位置にあるために、送液ポンプの停止時には水頭圧（両液面間の高低差に基づく水圧）に基づいて、駆動液は、常に漏れ出ようとする。そのため図５（ｂ）に示すように、検査チップが脱離した時に、重力による圧力のために当該接続部から駆動液がマイクロポンプ１２から漏れ出し、チップ接続部９５にあふれてくる。したがって、図５に示す従来の駆動液送出方式では検査チップ２が接続されていない場合には防止策を講じない限り、常に液が漏れ出ようとする。
・駆動タンクの上下動方式  
図６は本発明における実施形態の駆動液送出方式の構成を説明するための説明図である。図６（ａ）、図６（ｂ）は検査チップ２をマイクロポンプ１２から離脱した状態を示す断面図である。
マイクロポンプユニット１１の開口部から検査チップ２が離脱し、ポンプが停止している時、駆動液タンク６１内の液面の位置が、マイクロポンプユニット１１のチップ接続部開口部に吐出方向に最大＋５ｍｍＡｑまでの圧力がかかる状態にあれば液漏れは生じにくい。当該接続部の開口部ゴムパッキング９１の撥水性特性により、液がジワジワと漏れ出ることがないためである。例えば、図６（ａ）に示すように、駆動液タンク６１内の液面がチップ接続部９５の位置より図６（ａ）の矢印で示すようにＹ１だけ低い位置にすると駆動液の液面がチップ接続部９５より低い位置にあることとなり水頭圧がゼロまたは、負となる。この場合駆動液は吐出方向と逆方向に流れるために、液が漏れ出ることはない。
図６（ｂ）は図示せぬ駆動機構により駆動液タンク６１を紙面上下方向に移動させる例を示している。図中、検査チップ２を接続した時の駆動液タンク６１内の液面をＡ、検査チップ２を外した時の駆動液タンク６１内の液面をＢで示している。検査チップ２を外した時の駆動液タンク６１内の液面は図６（ａ）で説明したように、チップ接続部９５の位置よりＹ１だけ低い位置である。検査チップ２を接続する時は、図示せぬ駆動手段により駆動液タンク６１を上昇させ、駆動液タンク６１内の液面をＡの位置にする。すると、駆動液タンク６１内の液面の位置は逆にチップ接続部９５の位置よりＹ２だけ高くなり、マイクロポンプ１２の吐出方向に圧力をかけることができる。【００３２】
駆動液の液面を適宜変更することができるように、この構成では、駆動液タンク６１が上下方向に移動可能な態様としている。その移動は、タンク内駆動液の液面の高さを適宜調整するようにモーターなどで実施される。下方にタンクを下げて停止する液面位置は、ポンプの吐出方向、＋５ｍｍＡｑ〜−５ｍｍＡｑの圧力が生じる範囲となるように設定され、そうした圧力範囲になるように、移動させるタンクの下方位置も決まる。＋５ｍｍＡｑよりも大きいと、マイクロポンプのチップ接続部開口部から駆動液が漏れ出す懸念がある。また−５ｍｍＡｑの圧力よりも小さいと、駆動液の逆流が生じて空気が流路およびポンプ内に混入するおそれがある。実際には、駆動液の使用によるタンク内のその液面位置の変化を考慮し、水面センサー、タンクの重さの計測、吐出回数から液使用量を計算した結果などのデータを元に決定する。あるいは常に負圧となるように予め決められた位置にセットしてもよい。【００３３】
このように駆動液タンク６１が上下方向に移動可能である場合には、検査チップ２を接続している時には、水面を高くしてポンプによる送液を助け、該チップが離脱するときには、水面を低くすることにより、好ましくは負の水頭圧としてポンプ吐出方向への駆動液の移動を抑止することが可能である。なお駆動液消費に伴うタンク内の液水位低下もあるが、それによる水頭圧の変動は、ポンプの吐出圧力のバラツキ、または上記の圧力範囲内に収まってしまう。【００３４】
図６（ｃ）は、マイクロポンプ１２と駆動液タンク６１を一体にした例を示す断面図である。この場合でも、ポンプ停止と検査チップ２の脱離に連動して機械的な作動様式（図示せず）によりにタンクを所定位置に押し下げる態様であってもよい。【００３５】
なお、駆動液タンクが相対的に上下方向に移動する別の態様として、マイクロポンプユニットを昇降させて、水頭差を相対的になくしてもよい。【００３６】
上記の機構により、送液時には、ポンプに少し余裕が出て安定した送液ができるようになり、チップ脱離時には液体の漏れ出しという事態の発生を防止できる。
・駆動液タンクに負圧発生機構を設置する方式
前記マイクロポンプユニットのチップ接続部側の流路開口部における圧力の向きの変更は、駆動液タンク６１を昇降させる代わりに負圧発生機構によってもよい。
図７は駆動液タンクに付設された負圧発生機構の例を説明するための構造図である。
好ましくは図７に示すようにカートリッジ型の駆動液タンク６１に付設された負圧発生機構によるものが望ましい。この方式は、例えば図６に示された、マイクロポンプと駆動液タンクが一体化した型の場合でも好ましい。タンク内の液面の位置変位ではなく、駆動液タンクに負圧発生機構を付設することによるものであり、該機構により発生させた負圧に基づき、タンクとポンプとが連通する流路内においてポンプの吐出、送液方向と逆向きの圧力がかかるようにすればよい。【００３７】
前記負圧発生機構として、本来の位置への復帰をしようとする弾性体の付勢によって発生させる態様が考えられる。駆動液タンク６１内部に置かれる弾性体としては、スプリングバネ２０４、板バネ２０３、スポンジ２００などの各種形態のものが使用できる。具体的には図７（ａ）に示すように駆動液タンク６１内にスポンジ２００を詰める（該スポンジ２００が駆動液を吸収しようとする力により負圧が発生する）か、あるいはバネ（図中ではスプリングバネ２０４、板バネ２０３）などの力で駆動液が収容されているカートリッジ中袋２０１を引っ張る形態が考えられる。このように弾性体の付勢により負圧を発生する限り、その弾性体の種類、形態および適用の態様は特に問わない。このような方式では、モーターといった電気的な動力源を必要としない単純な機構である。したがって装置本体の簡素化、省電力化、低価格化を図ることができる。【００３８】
駆動液が駆動液タンク６１から送液されるに従い、タンク容量の減少に応じて弾性体の位置が変更されることにより、弾性体が元の位置へ戻ろうとする復元力が潜在的に発生する。駆動液の移動が停止されると、その弾性体の復元力の付勢に基づいてそれまでと反対方向への力が働き、負圧が発生することになる。【００３９】
負圧発生機構がカートリッジ型駆動液タンクに付設されている態様を述べたが、カートリッジ型であることから駆動タンク６１の取り外しは容易である。また、負圧発生機構はこの態様に限定されるものではない。なお、個々のマイクロポンプ１２にカートリッジ型駆動液タンクそれぞれを連通させる形態であってもよい。【００４０】
発生されるべき負圧は、上記タンク昇降方式に準じて−５ｍｍＡｑまでの圧力が生じるように設定されることが好ましい。同様に吐出回数から駆動液使用量を計算した結果などのデータを元に、上記の負圧を発生するように弾性体の変位する位置が決定される。【００４１】
上記の負圧発生機構を駆動液タンク６１に付設することにより、送液時には、マイクロポンプ１２に少し余裕が出て安定した送液ができるようになり、さらに検査チップ２の脱離時には液体の漏れ出しという事態はなくなる。
＜検査チップ＞
本発明で用いられる検査チップ２は、マイクロリアクタとして化学分析、各種検査、試料の処理・分離などに利用されるように、各流路エレメントまたは構造部が、機能的に適当な位置に微細加工技術により配設されている。【００４２】
検査チップ２には、各試薬を収容するための複数の試薬収容部が設けられ、この試薬収容部には所定の反応に用いる試薬類、洗浄液、変性処理液などが収容される。これは、場所や時間を問わず迅速に検査ができるように、予め試薬が収容されていることが望ましいためである。【００４３】
検査チップ２は、例えば、流路などを構成するための溝を予め基板面に形成した溝形成基板と、この溝形成基板と密着される被覆基板とを用いて作製することができる。溝形成基板には、各構造部と、これらの構造部を連通させる流路が形成されている。このような構造部の具体例としては、各収容部（試薬収容部、検体収容部など）および廃液貯留部などの液溜部と、弁基部、送液制御部（後述する図９に示した撥水バルブ）、逆流防止部（逆止弁、能動弁など）、試薬定量部、混合部などの送液を制御するための部位と、反応部と、検出部と、を挙げることができる。被覆基板にもこのような構造部および流路が形成されていてもよい。溝形成基板に被覆基板を密着させてこれらの構造部および流路を覆うことにより検査チップが構成される。なお、検査チップ内における反応を光学的に検出する場合には、上記の構造部のうち少なくとも検出部は光透過性の被覆基板を密着させて覆う必要がある。また、３枚以上の基板を積層させて検査チップ２を形成することもある。【００４４】
検査チップ２は、通常は１以上の成形材料を適宜に組み合わせて作製される。検査チップ２の成形材料としては、例えば、プラスチック樹脂、各種の無機ガラス、シリコン、セラミックス、金属などが挙げられる。【００４５】
中でも、多数の測定検体、とりわけ汚染、感染のリスクのある臨床検体を対象とするチップに対しては、ディスポーサブルであることが望まれ、さらに多用途対応性、量産性などを具えることが望ましい点から、検査チップ２の成形材料としてプラスチック樹脂を用いることが好ましい。【００４６】
溝形成基板など流路を形成加工する基板では、吸水による流路の変形などが起こりにくく、微量の検体液が途中でロスすることなく送液されるように疎水性、撥水性のプラスチックが好ましい。このような材質には、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンビニルアルコール、ポリカーボネート、ポリメチルペンテン、フルオロカーボン、飽和環状ポリオレフィンなどの樹脂が例示される。中でもポリスチレンは、透明性、機械的特性および成型性に優れて微細加工がしやすく、溝形成基板の形成材料として好ましい。【００４７】
分析の都合により１００℃近くに加熱する必要がある場合には、耐熱性に優れる樹脂、例えばポリカーボネート、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリベンツイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトンなどが基板の材料として使用される。【００４８】
マイクロリアクタとしての検査チップ２の流路は、基板上に目的に応じて予め設計された流路配置に従って形成される。液が流れる流路は、例えば、幅が数十〜数百μｍ、好ましくは５０〜２００μｍ、深さが２５〜３００μｍ、好ましくは５０〜１００μｍに形成されるマイクロメーターオーダー幅の微細流路である。流路幅が狭まると流路抵抗が増大し、液の送出などに不具合が生じることがある。流路幅をあまり広くするとマイクロスケール空間の利点が薄まる。検査チップ２全体の縦横のサイズは典型的には数十ｍｍ、その高さは数ｍｍ程度である。【００４９】
基板の各構造部および流路は、従来の微細加工技術によって形成することができる。典型的にはフォトリソグラフィ技術による感光性樹脂による微細構造の転写が好適であり、その転写構造を利用して、不要部分の除去、必要部分の付加、形状の転写が行われる。例えば、検査チップの構成要素を型どるパターンをフォトリソグラフィ技術により作製し、このパターンを樹脂に転写成形する。マイクロリアクタの微細流路を形成する基本的基板の材料には、サブミクロンの構造も正確に転写でき、機械的特性の良好なプラスチック樹脂が好ましく用いられる。中でもポリスチレン、ポリジメチルシロキサンなどは形状転写性に優れる。必要であれば、射出成形、押し出し成形などによって基板の各構造部および流路を形成する加工も行ってもよい。【００５０】
検査チップの微細流路における上流側、例えば試薬、検体などの各液を収容する収容部の上流側には、別途のマイクロポンプに接続するためのポンプ接続部が設けられる。ポンプ接続部には、上記の収容部に連通する流路開口が設けられており、この流路開口からマイクロポンプによって駆動液が供給され、各収容部の液が下流側へ押し出される。このような流路を通した液体の流通を具体的に図８で説明する。図８は、本発明のマイクロ総合分析システムの一実施形態における検査チップの平面図である。この検査チップ２には、試薬収容部３３ａ，３３ｂ，および３３ｃの計３つの流路に３種類の試薬が収容されている。これらの試薬収容部の両端部（試薬収容部３３ａでは上流側の端部３４ａおよび下流側の端部３４ｂ）には、図９に示した構造の送液制御部（撥水バルブ）が設けられ、これら撥水バルブの間の流路に試薬が封入されている。【００５１】
図９は、送液制御部（撥水バルブ）の断面図である。送液制御部５１は、細径の送液制御通路５２を備えている。送液制御通路５２は、その断面積（流路に対して垂直な断面の断面積）が、上流側の流路５３ａおよび下流側の流路５３ｂの断面積よりも小さくなっている。【００５２】
流路壁がプラスチック樹脂などの疎水性の材質で形成されている場合には、送液制御通路５２に接する液５４は、流路壁との表面張力の差によって、下流側の流路５３ｂへ通過することが規制される。【００５３】
下流側の流路５３ｂへ液５４を流出させる際には、マイクロポンプによって所定圧以上の送液圧力を加え、これによって表面張力に抗して液５４を送液制御通路５２から下流側の流路５３ｂへ押し出す。液５４が流路５３ｂへ流出した後は、液５４の先端部を下流側の流路５３ｂへ押し出すのに要する送液圧力を維持せずとも液が下流側の流路５３ｂへ流れていく。すなわち、上流側から下流側への正方向への送液圧力が所定圧力に達するまで送液制御通路５２から先への液の通過が遮断され、所定圧以上の送液圧力が加わることにより液５４は送液制御通路５２を通過する。【００５４】
なお、詳細な説明は省略するが、図８の検査チップ２の微細流路には、試薬収容部３３ａ〜３３ｃの両端部以外の位置にも図９の送液制御部５１が設けられており、例えば、試薬混合部３６と検体収容部３７における合流部３８側の端部などにもこの送液制御部が設けられて、その先の流路への送液開始のタイミングを制御している。【００５５】
図８の試薬収容部３３ａ〜３３ｃの上流側には、検査チップ２の一方の面から外部へ開放された開口３２ｃ〜３２ｅが設けられている。これらの開口３２ｃ〜３２ｅは、検査チップ２を後述するマイクロポンプユニットのチップ接続部に重ね合わせて接続した際に、マイクロポンプユニットの接続面（チップ接続部）に設けられた流路開口と位置合わせされてマイクロポンプに連通される。【００５６】
なお、開口３２ａ，３２ｂおよび３２ｆ〜３２ｊも同様に、検査チップ２とマイクロポンプユニットのチップ接続部との接続によってマイクロポンプに連通される。これらの開口３２ａ〜３２ｊを含むチップ面によってポンプ接続部３１が構成され、ポンプ接続部３１をマイクロポンプユニットの接続面（チップ接続部）に密着させることによって検査チップ２とマイクロポンプユニット１１とが接続される。ポンプ接続部３１は、必要なシール性を確保して駆動液の漏出を防止するために、ポリテトラフルオロエチレン、シリコーン樹脂などの柔軟性（弾性、形状追随性）をもつ樹脂によって密着面が形成されることが好ましい。このような柔軟性を有する密着面は、例えば検査チップの構成基板自体によるものであってもよく、また、ポンプ接続部における流路開口の周囲に貼着された柔軟性を有する別途の部材によるものであってもよい。【００５７】
流路３３ａ〜３３ｃに収容された試薬は、開口３２ｃ〜３２ｅに連通するそれぞれ別途のマイクロポンプによって、図９の送液制御部５１を通過して合流部３５へ流れ込み、その先に続く流路である試薬混合部３６で３種類の各試薬が混合される。【００５８】
試薬混合部３６で混合された混合試薬は、検体収容部３７に収容された検体と合流部３８で合流する。なお、混合試薬は開口３２ｂに連通したマイクロポンプによって駆動液で下流へ押し出され、検体は開口３２ａに連通したマイクロポンプによって駆動液で下流へ押し出される。混合試薬と検体との混合液は、反応部３９へ収容され加熱などによって反応が開始される。【００５９】
反応後の液は、検出部４０へ送液され、例えば光学的な検出方法などによって標的物質が検出される。なお、開口３２ｆ〜３２ｊに連通するそれぞれ別途のマイクロポンプによって、これらの開口から先の流路に予め収容された各試薬（例えば混合試薬と検体との反応を停止させる液、検出対象の物質に対して標識などの必要な処理を行うための液、洗浄液など）を所定のタイミングで下流へ押し出して送液するようにしている。
＜マイクロポンプユニット＞
図４は、本発明のマイクロ総合分析システムの一実施形態におけるマイクロポンプユニットの斜視図、図１０はその断面図である。このマイクロポンプユニット１１は、好ましくはシリコン製の基板１７と、その上のガラス製の基板１８と、その上のガラス製の基板１９との３つの基板から構成されている。基板１７と基板１８、および基板１８と基板１９は、それぞれ陽極接合や直接接合あるいは接着剤によって接合されている。なおこれらの基板の材料は例示に過ぎない。【００６０】
シリコン製の基板１７と、その上に陽極接合によって貼り合わされたガラス製の基板１８との間の内部空間によってマイクロポンプ１２（ピエゾポンプ）が構成されている。【００６１】
基板１７は、シリコンウエハをフォトリソグラフィ技術により所定の形状に加工したものである。例えば、シリコン基板面への酸化膜の形成、レジスト塗布、レジストの露光および現像、酸化膜のエッチング、ＩＣＰ（高周波誘導結合型プラズマ、Inductively Coupled Plasma）などによるシリコンのエッチングなどを含む微細加工によって、加圧室２２、第１流路２３、第１液室２５、第２流路２４、および第２液室２６が形成されている。【００６２】
加圧室２２の位置では、シリコン基板がダイヤフラムに加工され、その外側表面には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックスなどからなる圧電素子２１が貼着されている。【００６３】
このマイクロポンプ１２は、圧電素子２１への制御電圧によって次のように駆動される。印加された所定波形の電圧により圧電素子２１が振動するとともに、加圧室２２の位置におけるシリコンダイヤフラムが振動し、これによって加圧室２２の体積が増減する。第１流路２３と第２流路２４とは、幅および深さが同じで、長さが第１流路２３よりも第２流路２４の方が長くなっている。第１流路２３では、差圧が大きくなると、流路内で渦を巻くように乱流が発生し、流路抵抗が増加する。一方、第２流路２４では、流路幅が長いので差圧が大きくなっても層流になり易く、第１流路２３に比べて差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合が小さくなる。【００６４】
例えば、圧電素子２１に対する制御電圧を調整することにより、加圧室２２の内部へ向かう方向へ素早くシリコンダイヤフラムを変位させて大きい差圧を与えながら加圧室２２の体積を減少させ、次いで加圧室２２からその外側へ向かう方向へゆっくりシリコンダイヤフラムを変位させて小さい差圧を与えながら加圧室２２の体積を増加させると、駆動液は図１０において右から左へ向かう方向へ逆方向に送液される。【００６５】
これとは反対に、加圧室２２からその外側へ向かう方向へ素早くシリコンダイヤフラムを変位させて大きい差圧を与えながら加圧室２２の体積を増加させ、次いで加圧室２２の内部へ向かう方向へゆっくりシリコンダイヤフラムを変位させて小さい差圧を与えながら加圧室２２の体積を減少させると、駆動液は同図の左から右へ正方向に送液される。【００６６】
なお、第１流路２３と第２流路２４における、差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合の相違は、必ずしも流路の長さの違いによる必要はなく、他の形状的な相違に基づくものであってもよい。【００６７】
マイクロポンプ１２による流量の制御は、圧電素子２１に印加する電圧を調整することにより行うことができる。圧電素子へ印加する最大電圧は、数ボルトから数十ボルト程度、最大で１００ボルト程度である。駆動電圧の周波数は１１ＫＨｚ程度である。【００６８】
圧電素子２１の駆動のための２つの電極は、図示しないフレキシブル配線と接続される。シリコンダイヤフラムの表面に金電極を形成し、金電極の上に接着剤で圧電素子２１の片方の面を接着することによって、圧電素子２１の片方の電極が金電極と電気的に接続され、その金電極とフレキシブル配線とが接続される。また、圧電素子２１の他方の面には金メッキが施され、その金メッキ部分にフレキシブル配線を直接に接続する。【００６９】
なお、マイクロポンプ１２を形成する基板としてシリコン基板以外のものを用いてもよく、例えば感光性のガラス基板などを用いてもよい。【００７０】
また、マイクロポンプとして、上記のピエゾポンプ以外のもの、例えば逆止弁型のポンプなどを設けてもよいが、本発明ではピエゾポンプを用いることが好ましい。【００７１】
シリコン製の基板１７の上に積層されるガラス製の基板１８，１９としては、例えば、パイレックス（登録商標）ガラス（ＰｙｒｅｘはＣｏｒｎｉｎｇ  Ｇｌａｓｓ  Ｗａｒｋｓ社の登録商標）、テンパックスガラス（ＴｅｍｐａｘはＳｃｈｏｔｔ  Ｇｌａｓｗｅｒｋ社の登録商標）などが用いられる。【００７２】
図１０では、開口１５から流路２０を通じてマイクロポンプ１２によって駆動液を供給するようにしている。基板１９には、流路２０がパターニングされている。一例として、流路２０の寸法および形状は、幅が１５０μｍ程度、深さが３００μｍ程度の断面矩形状である。流路２０の下流側には、図８の検査チップにおけるポンプ接続部の開口３２ａ〜３２ｋに位置合わせすることによりマイクロポンプ１２を検査チップの微細流路に連通させるための開口１５が設けられている。チップ接続部の開口１５は、検査チップの開口との位置合わせを適切に行うために必要であれば、流路２０の幅よりも大きいサイズとしてもよい。図４に示したように、マイクロポンプユニット１１のチップ面における所望の位置に形成された開口１５から駆動液を出すことができるので、検査チップ側において、駆動液を所定位置まで送液するための引き回し用流路を省略または低減することができる。【００７３】
流路２０の上流側は、基板１８の貫通孔１６ｂを介して、基板１７に設けられた流路を通りマイクロポンプ１２に連通されている。また、マイクロポンプ１２の上流側は、基板１７に設けられた流路から基板１８の貫通孔１６ａを介して、ガラス製の基板１９に設けられた開口１４に連通されている。この開口１４は不図示の駆動液タンクに接続されている。開口１４は、例えば、シリコーン樹脂のパッキンを介して駆動液タンクに接続される。【００７４】
なお、このマイクロポンプユニット１１はあくまでも一例であって、フォトリソグラフィ技術などによってマイクロポンプと、流路と、検査チップおよび駆動液タンクと連通させるための接続用開口とを形成した各種のマイクロポンプユニットを作製できる。例えば、マイクロポンプの構造をエッチングにより形成したシリコン基板、感光性ガラス基板などの上にガラス基板を積層し、その上にＰＤＭＳを貼り合わせ、さらにその上に、プラスチック、ガラス、シリコン、セラミックスなどからなり流路溝と上記の接続用開口とが形成された基板を貼り合わせることによってマイクロポンプユニットを構成することができる。【００７５】
図４の例では、マイクロポンプとしてピエゾポンプを用いている。開口１５ａ，１５ｂ，１５ｃはそれぞれ、図８の検査チップの開口３２ｃ，３２ｄ，３２ｅと連通される。マイクロポンプ１２によって流路２０、開口１５、開口３２を通じて駆動液を送液して試薬収容部３３に収容された試薬を下流へ押し出す。
＜検体および標的物質＞
本発明のマイクロ総合分析システムは、遺伝子または核酸を始めとする各種の生体物質を標的物質とする検査に好適に用いることができる。遺伝子以外の生体物質、例えばタンパク質、酵素などの検査チップについても基本的な構成は、ほぼ同一になるといえる。通常は試薬類、緩衝液類（希釈、洗浄などに使用する）などを変更すればよく、その場合、送液エレメントの配置、数などは変化するであろう。当業者であれば、例えばイムノアッセイ法のために必要なエレメントなどを検査チップ上に搭載し、若干の流路変更、仕様の変更を含む修正を施すことにより、分析の種類を容易に変更することができる。【００７６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形、変更が可能である。
【図１】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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