(57)【要約】【課題】マイクロポンプの特性バラツキを簡単な方法で補正し、所定の流量で駆動液をマイクロチップに送液する反応検出装置を提供する。【解決手段】流体をマイクロチップに注入するポンプと、ポンプの性能データを記憶する記憶手段と、ポンプを駆動する駆動手段と、駆動手段を制御する制御手段と、を有し、制御手段は、性能データに基づいて駆動手段を制御することを特徴とする反応検出装置。【選択図】図４
2009062911.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体をマイクロチップに注入するポンプと、
前記ポンプの性能データを記憶する記憶手段と、
前記ポンプを駆動する駆動手段と、
前記駆動手段を制御する制御手段と、
を有し、
前記制御手段は、前記性能データに基づいて前記駆動手段を制御することを特徴とする反応検出装置。
【請求項２】
前記ポンプは、
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の割合が前記第１流路よりも小さい第２流路と、
前記第１流路および前記第２流路に接続された加圧室と、
前記加圧室の内部の圧力を変化させるためのピエゾアクチュエータと、
を備えていることを特徴とする請求項１に記載の反応検出装置。
【請求項３】
前記性能データは、前記駆動手段が発生する駆動電圧波形の立ち上がり時間と前記ポンプの吐出する前記流体の流量または圧力との関係を示すデータであることを特徴とする請求項１または２に記載の反応検出装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記駆動電圧波形の立ち上がり時間を変化させることにより前記流量または前記圧力を制御することを特徴とする請求項３に記載の反応検出装置。
【請求項５】
前記性能データは、前記駆動手段が発生する駆動電圧波形の立ち下がり時間と前記ポンプの吐出する前記流体の流量または圧力との関係を示すデータであることを特徴とする請求項１または２に記載の反応検出装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記駆動電圧波形の立ち下がり時間を変化させることにより前記流量または前記圧力を制御することを特徴とする請求項５に記載の反応検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は反応検出装置に関する。
【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、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（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
これはμ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ  ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍ：マイクロ総合分析システム）、バイオリアクタ、ラボ・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。現実には遺伝子検査に見られるように、煩雑な工程、熟練した手技、機器類の操作が必要とされる場合には、自動化、高速化および簡便化されたミクロ化分析システムは、コスト、必要試量、所要時間のみならず、時間および場所を選ばない分析を可能とすることによる恩恵は多大と言える。
【０００４】
臨床検査を始めとする各種検査を行う現場では、場所を選ばず迅速に結果を出すこれらの検査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ている。一方、検査チップではそのサイズ、形態からの厳しい制約を受けるため、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要求される。
【０００５】
マイクロポンプとしては、アクチュエータを設けた弁室の流出入孔に逆止弁を設けた逆止弁型のポンプなど各種のものが使用できるが、例えば、特許文献１に開示されているように、ピエゾポンプを用いることが好適である。ピエゾポンプによれば、例えば、ポンプの駆動電圧および周波数を変えることによって、液体の送液方向、送液速度を制御できるようになっている。
【０００６】
ところで、検体と試薬などが収容された検査チップを、上記のマイクロポンプなどを備えた流体制御検出装置内により検査するマイクロ総合分析システムでは、検体や試薬の必要量をできるだけ少なくすることが求められている。また、これに加えて短時間で適正な分析を終了させることが求められている。
【０００７】
このような要求に答えるには、マイクロポンプによる駆動液の送液の安定化を図らなければならない。マイクロ総合分析システムでは、流速、流量などが一定に保持されていないと、分析結果に悪影響を及ぼす虞がある。
【０００８】
しかしながら、検査チップ内に、外部のマイクロポンプから駆動液を供給する場合に、マイクロポンプとの間の接続が確実に行われていないと、液漏れが発生して下流に流れる流体が一定速度で流れなかったり、時間当たりの流量に過不足が生じたりする場合があった。このような課題に対応するため、特許文献２では検査チップ本体内の駆動液の流れ方向の上流側に、駆動液の流れ速度などの情報を得るための検出装置を設け、検出した結果に基づいて流量を調整する方法を開示している。
【特許文献１】特開２００１−３２２０９９号公報
【特許文献２】特開２００６−２７５７３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、マイクロポンプの性能はバラツキが大きいため、バラツキの上限又は下限レベルの性能のマイクロポンプの場合は駆動液を所望の流量に安定して制御することが難しかった。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、マイクロポンプの特性バラツキを簡単な方法で補正し、所定の流量で駆動液をマイクロチップに送液する反応検出装置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】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有するものである。
【００１２】
１．
流体をマイクロチップに注入するポンプと、
前記ポンプの性能データを記憶する記憶手段と、
前記ポンプを駆動する駆動手段と、
前記駆動手段を制御する制御手段と、
を有し、
前記制御手段は、前記性能データに基づいて前記駆動手段を制御することを特徴とする反応検出装置。
【００１３】
２．
前記ポンプは、
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の割合が前記第１流路よりも小さい第２流路と、
前記第１流路および前記第２流路に接続された加圧室と、
前記加圧室の内部の圧力を変化させるためのピエゾアクチュエータと、
を備えていることを特徴とする１に記載の反応検出装置。
【００１４】
３．
前記性能データは、前記駆動手段が発生する駆動電圧波形の立ち上がり時間と前記ポンプの吐出する前記流体の流量または圧力との関係を示すデータであることを特徴とする１または２に記載の反応検出装置。
【００１５】
４．
前記制御手段は、前記駆動電圧波形の立ち上がり時間を変化させることにより前記流量または前記圧力を制御することを特徴とする３に記載の反応検出装置。
【００１６】
５．
前記性能データは、前記駆動手段が発生する駆動電圧波形の立ち下がり時間と前記ポンプの吐出する前記流体の流量または圧力との関係を示すデータであることを特徴とする１または２に記載の反応検出装置。
【００１７】
６．
前記制御手段は、前記駆動電圧波形の立ち下がり時間を変化させることにより前記流量または前記圧力を制御することを特徴とする５に記載の反応検出装置。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、予め記憶手段に記憶した各マイクロポンプの性能データに基づいてマイクロポンプの駆動を制御するので、所定の流量で駆動液をマイクロチップに送液する反応検出装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面に基づき本発明の実施形態を説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態における反応検出装置８０の外観図である。
【００２１】
反応検出装置８０はマイクロチップ１に予め注入された検体と、試薬との反応を自動的に検出し、表示部８４に結果を表示する装置である。筐体８２には挿入口８３があり、マイクロチップ１を挿入口８３に差し込んで筐体８２の内部にセットするようになっている。
【００２２】
なお、挿入口８３はマイクロチップ１を挿入時に接触しないように、マイクロチップ１の厚みより十分高さがある。８５はメモリカードスロット、８６はプリント出力口、８７は操作パネル、８８は入出力端子である。
【００２３】
検査担当者は図１の矢印方向にマイクロチップ１を挿入し、操作パネル８７を操作して検査を開始させる。筐体８２の内部では、制御手段の指令により図１には図示せぬマイクロポンプユニット５がマイクロチップ１に駆動液等の液体を注入し、マイクロチップ１内の反応の検査が自動的に行われる。検査が終了すると液晶パネルなどで構成される表示部８４に結果が表示される。検査結果は操作パネル８７の操作により、プリント出力口８６よりプリントを出力したり、メモリカードスロット８５に挿入されたメモリカードに記憶することができる。また、外部入出力端子８８から例えばＬＡＮケーブルを使って、パソコンなどにデータを保存することができる。
【００２４】
検査担当者は、検査終了後、マイクロチップ１を挿入口８３から取り出す。
【００２５】
次に、本発明の実施形態に係わるマイクロポンプユニット５の一例について、図２を用いて説明する。
【００２６】
図２（ａ）は本発明に係わるマイクロポンプユニット５の平面図であり、図２（ｂ）は左側面図、図２（ｃ）は右側面図である。また、図２（ｄ）は図２（ａ）にＡ−Ａで示す部分の断面図である。
【００２７】
図２に示すようにマイクロポンプユニット５は、第１の基板１１、第２の基板１２から成る。なお、図２（ａ）において、第１の基板１１に設けられた溝部を点線で図示している。
【００２８】
図２（ａ）のＡ−Ａで示す部分が一つのマイクロポンプＭＰを構成しており、後に説明するマイクロポンプ機構によって、例えば入出力口１４５から吸入した液体を入出力口１４６から吐出する。あるいは、逆方向に入出力口１４６から吸入した液体を入出力口１４５から吐出することもできる。図２（ａ）の例では、第１の基板１１に８つのマイクロポンプＭＰが形成されている。これらのマイクロポンプＭＰは互いに同じ構造であるから、以下においては図２（ｄ）を用いてその構造を説明する。
【００２９】
第１の基板１１は、例えば幅１７ｍｍ、奥行き３５ｍｍ、厚み０．２ｍｍの大きさの長方形のシート状である。図２（ｄ）に示すように、第１の基板１１に形成された各マイクロポンプＭＰは、ポンプ室１２１、ダイヤフラム１２２、第１絞り流路１２３、第１流路１２４、第２絞り流路１２５、および第２流路１２６を有する。
【００３０】
第１の基板１１は、例えばシリコンウエハを公知のフォトリソグラフィー工程で所定の形状に加工して形成する。つまり、パターニングされたシリコン基板をＩＣＰドライエッチング装置を用いて所定の深さまでエッチングする。
【００３１】
エッチング工程の後、ダイシングを行ってシリコンウエハから所定の外形形状に第１の基板１１を切り出す。第１の基板１１の厚みは例えば０．２ｍｍ程度である。
【００３２】
図２（ｄ）に示すように、ダイヤフラム１２２の外側の面には、圧電素子１１２が接着されている。圧電素子１１２の駆動のための２つの電極は、圧電素子１１２の両側の表面に引き出され、図示せぬフレキシブル配線と接続される。圧電素子１１２には例えばピエゾアクチュエータなどを用いる。
【００３３】
第２の基板１２は、第１の基板１１に形成された各マイクロポンプＭＰの流路等を第１の基板１１に密着して覆う必要がある。そのため、第２の基板１２の熱膨張率は第１の基板１１にできるだけ近いことが望ましい。第１の基板１１の材料がシリコンの場合、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。これらは熱膨張率がシリコン基板とほぼ同じである。第２の基板１２の形状は、例えば、第１の基板１１と同じ幅１７ｍｍ、奥行き３５ｍｍであり、厚みは１ｍｍである。
【００３４】
次に、超音波加工などの方法を用いて、第２の基板１２に入出力口１４５、入出力口１４６の孔開け加工を行う。孔開け加工の後、第２の基板１２は第１の基板１１と２つの辺が一致するように位置合わせを行って、例えば陽極接合により接合する。
【００３５】
このようにしてマイクロポンプユニット５を作製することができる。マイクロポンプユニット５は、上に述べたマイクロポンプＭＰの作動によって、一方の入出力口１４５から液体を吸い込み、他方の入出力口１４６から液体を吐出する。また、圧電素子１１２に印加する駆動電圧を制御することによって、液体の吸入と吐出の方向を逆にすることができる。なお、第１の基板１１それ自体の構造については、従来の技術の項で述べた特開２００１−３２２０９９号を参照することができる。
【００３６】
次にマイクロポンプユニット５の動作原理について説明する。
【００３７】
第２絞り流路１２５は、その流入側と流出側との差圧が零に近いときは流路抵抗が低いが、差圧が大きくなると流路抵抗が大きくなる。つまり圧力依存性が大きい。第１絞り流路１２３は、差圧が零に近いときの流路抵抗は第２絞り流路１２５の場合よりも大きいが、圧力依存性がほとんどなく、差圧が大きくなっても流路抵抗は余り変化せず、差圧が大きい場合に流路抵抗が第２絞り流路１２５よりも小さくなる。
【００３８】
このような流路抵抗特性は、流路を流れる液体（流体）が、差圧の大きさに応じて乱流となるようにするか、または差圧にかかわりなく常に層流となるようにするか、によって得ることが可能である。具体的には、例えば、第２絞り流路１２５を流路長の短いオリフィスとし、第１絞り流路１２３を第２絞り流路１２５と内径が同じで流路長の長いノズルとすることによって実現することが可能である。
【００３９】
第１絞り流路１２３と第２絞り流路１２５のこのような流路抵抗特性を利用して、ポンプ室１２１に圧力を発生させるとともに、その圧力の変化の割合を制御することによって、流路抵抗の低い方に液体を吐出するようなポンプ作用を実現することができる。
【００４０】
つまり、ポンプ室１２１の圧力を上昇させるとともに、その変化の割合を大きくしておけば、差圧が大きくなって第２絞り流路１２５の流路抵抗の方が第１絞り流路１２３の流路抵抗よりも大きくなり、ポンプ室１２１内の液体は第１絞り流路１２３から吐出する（吐出工程）。そして、ポンプ室１２１の圧力を下降させるとともに、その変化の割合を小さくすれば、差圧が小さく維持されて第１絞り流路１２３の流路抵抗の方が第２絞り流路１２５の流路抵抗よりも大きくなり、第２絞り流路１２５からポンプ室１２１内に液体が流入する（吸入工程）。
【００４１】
これとは逆に、ポンプ室１２１の圧力を上昇させるとともに、その変化の割合を小さくすれば、差圧が小さく維持されて第１絞り流路１２３の流路抵抗の方が第２絞り流路１２５の流路抵抗よりも大きくなり、ポンプ室１２１内の液体は第２絞り流路１２５から吐出する（吐出工程）。そして、ポンプ室１２１の圧力を下降させるとともに、その変化の割合を大きくすれば、差圧が大きくなって第１絞り流路１２３の流路抵抗の方が第２絞り流路１２５の流路抵抗よりも小さくなり、第１絞り流路１２３からポンプ室１２１内に液体が流入する（吸入工程）。
【００４２】
このようなポンプ室１２１の圧力制御は、圧電素子１１２に供給する駆動電圧を制御し、ダイヤフラム１２２の変形の量およびタイミングを制御することによって実現される。
【００４３】
図３は圧電素子１１２に供給する駆動電圧Ｅと流量Ｑの関係を示す説明図である。圧電素子１１２に高い駆動電圧を印加するとポンプ室１２１の圧力が高まるものとする。
【００４４】
図３（ａ−１）に示す波形では立ち上がり時間Ｔ１＜立ち下がり時間Ｔ３なので、ポンプ室１２１の圧力が上昇するときの変化の割合は、ポンプ室１２１の圧力が下降するときの変化の割合より大きい。したがって、前述の様にポンプ室１２１内の液体は第１絞り流路１２３から吐出する。
【００４５】
図３（ａ−２）は流路１２３から吐出された液体の、流路１２４における流量Ｑの一例を示している。立ち上がり時間Ｔ１の期間、ポンプ室１２１の圧力が急に上昇するので流路１２４を流れる流量Ｑも急に上昇する。Ｔ２の休止期間の後、立ち下がり時間Ｔ３の期間はポンプ室１２１の圧力が緩やかに下降すると、おもに第２絞り流路１２５からポンプ室１２１内に液体が流入し、一部が第１絞り流路１２３からポンプ室１２１内に流入する。そのため、流量Ｑは緩やかに減少する。しかし、立ち下がり時間Ｔ３の期間に減少する流量Ｑは立ち上がり時間Ｔ１の期間に流入した流量Ｑより少なく、Ｔ４の休止期間においては、初期状態よりも流量Ｑが増加している。このようにＴ１からＴ４のサイクルを繰り返すことにより流量Ｑは増加していく。
【００４６】
一方、図３（ｂ−１）に示す波形では立ち下がり時間Ｔ７＜立ち上がり時間Ｔ５なので、ポンプ室１２１の圧力が上昇するときの変化の割合は、ポンプ室１２１の圧力が下降するときの変化の割合より小さい。したがって、前述の様に第１絞り流路１２３からポンプ室１２１内に液体が流入する。
【００４７】
図３（ｂ−２）は流路１２３から吸入された液体の、流路１２４における流量Ｑの一例を示している。立ち上がり時間Ｔ５の期間、ポンプ室１２１の圧力が緩やかに上昇すると、おもに第２絞り流路１２５から液体が吐出し、一部が第１絞り流路１２３から吐出する。そのため、流量Ｑは緩やかに増加する。一方、Ｔ６の休止期間の後、立ち下がり時間Ｔ７の期間においてポンプ室１２１の圧力が急に下降すると、第１絞り流路１２３からポンプ室１２１内に液体が流入する。そのため、流量Ｑは急に減少する。しかし、Ｔ５の期間に増加する流量Ｑは立ち下がり時間Ｔ７の期間に吐出した流量Ｑより少なく、Ｔ８の休止期間においては、初期状態よりも流量Ｑが減少している。このようにＴ５からＴ８のサイクルを繰り返すことにより流量Ｑは減少していく。
【００４８】
図３において、圧電素子１１２に印加する最大電圧ｅ１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。また、時間Ｔ１，Ｔ７は２０μｓ程度、時間Ｔ２，Ｔ６は０〜数μｓ程度、時間Ｔ３，Ｔ５は６０μｓ程度である。時間Ｔ４，Ｔ８は０であってもよい。駆動電圧Ｅの周波数は１１ｋＨｚ程度である。図３（ａ−１）および図３（ｂ−１）に示す駆動電圧Ｅによって、流路２３には、例えば図３（ａ−２）および図３（ｂ−２）に示すような流量が得られる。なお、図３（ａ−２）および図３（ｂ−２）における流量曲線は、ポンプ動作によって得られる流量を模式的に示したもので、実際には流体の慣性振動が重畳する。したがって、これら図に示された流量曲線に振動成分が重畳された曲線が実際に得られる流量を示すこととなる。
【００４９】
図４は圧電素子１１２に供給する駆動電圧波形の立ち上がり時間Ｔ１、立ち下がり時間Ｔ２と流量Ｑ、圧力Ｐの関係を示す説明図、図５は圧電素子１１２に供給する最大電圧ｅ１と流量Ｑ、圧力Ｐの関係を示す説明図である。圧力Ｐは入出力口１４６から液体を吐出する圧力である。
【００５０】
最初に図５を用いて、マイクロポンプＭＰの特性バラツキについて説明する。横軸は図３に示す駆動電圧波形の最大電圧ｅ１（Ｖ）、縦軸は流量Ｑまたは圧力Ｐである。図５（ａ）の例では最大電圧ｅ１が４０Ｖのとき流量Ｑが４００ｎｌ／ｓのマイクロポンプＭＰと、６００ｎｌ／ｓのマイクロポンプＭＰがあることを示している。このように、ピエゾアクチュエータなどの圧電素子１１２は、特性のバラツキが大きいため所定の流量Ｑまたは圧力Ｐを得られる最大電圧ｅ１はマイクロポンプＭＰ毎に異なっている。
【００５１】
所定の流量Ｑまたは圧力Ｐを得るため各マイクロポンプＭＰ毎に最大電圧ｅ１を変更する方法では、マイクロポンプＭＰ毎に最大電圧ｅ１を設定可能な電源回路を設ける必要があり回路構成が複雑になるという問題がある。
【００５２】
図４（ａ）は図３（ａ−１）に図示する駆動電圧Ｅの波形の一周期分を図示している。
【００５３】
図４（ｂ）はマイクロポンプＭＰの性能データの一つである駆動電圧波形の立ち上がり時間Ｔ１と流量Ｑ、圧力Ｐとの関係を示すグラフである。Ｔ２〜Ｔ４が一定条件のとき、図４（ｂ）のように立ち上がり時間Ｔ１の期間を変更することにより流量Ｑまたは圧力Ｐを制御することができる。図４（ｂ）では立ち上がり時間Ｔ１がＴ１0のとき最大であり、Ｔ１0を超えても、またＴ１0未満でも流量Ｑ、圧力Ｐが減少する。
【００５４】
図４（ｂ）のグラフは各マイクロポンプ毎に立ち上がり時間Ｔ１以外の条件を一定にして流量Ｑ、圧力Ｐを測定することで得られる。例えば、最大電圧ｅ１が４０Ｖ、時間Ｔ２は２μｓ、時間Ｔ３は６０μｓ、時間Ｔ４は１μｓ、駆動電圧Ｅの周波数は１１ｋＨｚという条件で立ち上がり時間Ｔ１を変えてマイクロポンプＭＰを駆動し、流量Ｑ、圧力Ｐを測定する。
【００５５】
このようにして流量Ｑまたは圧力Ｐを測定すると図４（ｂ）のような性能データのグラフが得られる。例えば、所定の流量Ｑが例えば４００ｎｌ／ｓのとき、マイクロポンプＭＰ毎に予め取得した性能データからこの流量Ｑが得られる立ち上がり時間Ｔ１の値を求め、そのほかの条件は性能データを取得した時の条件でマイクロポンプＭＰを駆動する。
【００５６】
図４（ｃ）はマイクロポンプＭＰの性能データの一つである駆動電圧波形の立ち下がり期間Ｔ３と流量Ｑ、圧力Ｐの関係を示すグラフである。同様に、Ｔ１、Ｔ３、Ｔ４を一定条件にして立ち下がり時間Ｔ３を変えてマイクロポンプＭＰを駆動し、流量Ｑ、圧力Ｐを測定することで得られる。また、性能データから所望の流量Ｑ、圧力Ｐが得られる立ち下がり時間Ｔ３を求めることができる。
【００５７】
このように、流量Ｑ、圧力Ｐは駆動電圧波形の立ち上がり時間Ｔ１、立ち下がり期間Ｔ３を変更することにより簡単に制御できる。
【００５８】
なお、図３に示すマイクロポンプＭＰの駆動電圧Ｅの波形の期間立ち上がり時間Ｔ５、立ち下がり時間Ｔ７についても同様に流量Ｑ、圧力Ｐの関係を測定し、立ち上がり時間Ｔ５、立ち下がり時間Ｔ７を可変することにより所望の流量Ｑ、圧力Ｐを得ることができる。
【００５９】
次に、本発明の実施形態に係わるマイクロチップ１の一例について、図６を用いて説明する。
【００６０】
図６（ａ）、図６（ｂ）はマイクロチップ１の外観図である。図６（ａ）において矢印は、後述する筐体８２にマイクロチップ１を挿入する挿入方向であり、図６（ａ）は挿入時にマイクロチップ１の上面となる面を図示している。図６（ｂ）はマイクロチップ１の側面図である。
【００６１】
図６（ａ）の検出部の窓１１１ａと検出部の流路１１１ｂは検体と試薬の反応を光学的に検出するために設けられており、ガラスや樹脂などの透明な部材で構成されている。１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ、１１０ｅは内部の微細流路に連通する駆動液注入部であり、各駆動液注入部１１０から駆動液を注入し内部の試薬等を駆動する。２１３はマイクロチップ１に検体を注入するための検体注入部である。
【００６２】
図６（ｂ）に示すように、マイクロチップ１は溝形成基板１０８と、溝形成基板１０８を覆う被覆基板１０９から構成されている。次に、マイクロチップ１を構成する溝形成基板１０８と被覆基板１０９に用いる材料について説明する。
【００６３】
マイクロチップ１は、加工成形性、非吸水性、耐薬品性、耐候性、コストなどに優れていることが望まれており、マイクロチップ１の構造、用途、検出方法などを考慮して、マイクロチップ１の材料を選択する。その材料としては従来公知の様々なものが使用可能であり、個々の材料特性に応じて通常は１以上の材料を適宜組み合わせて、基板および流路エレメントが成形される。
【００６４】
特に、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は、ディスポーサブルタイプであることが望ましい。そのため、量産可能であり、軽量で衝撃に強く、焼却廃棄が容易なプラステック樹脂、例えば、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いポリスチレンが好ましい。また、例えば分析においてチップを１００℃近くまで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など）を用いることが好ましい。また、タンパク質の吸着が問題となる場合にはポリプロピレンを用いることが好ましい。樹脂やガラスなどは熱伝導率が小さく、マイクロチップの局所的に加熱される領域に、これらの材料を用いることにより、面方向への熱伝導が抑制され、加熱領域のみ選択的に加熱することができる。
【００６５】
検出部１１１において、呈色反応の生成物や蛍光物質などの検出を光学的に行う場合は、少なくともこの部位の基板は光透過性の材料（例えばアルカリガラス、石英ガラス、透明プラスチック類）を用い、光が透過するようにする必要がある。本実施形態においては、検出部の窓１１１ａと、少なくとも検出部の流路１１１ｂを形成する溝形成基板は、光透過性の材料が用いられていて、検出部１１１を光が透過するようになっている。
【００６６】
本発明の実施形態に係わるマイクロチップ１には、検査、試料の処理などを行うための、微小な溝状の流路（微細流路）および機能部品（流路エレメント）が、用途に応じた適当な態様で配設されている。本実施形態では、これらの微細流路および流路エレメントによってマイクロチップ１内で行われる特定の遺伝子の増幅およびその検出を行う処理の一例を図６（ｃ）を用いて説明する。なお、本発明の適用は図６（ｃ）で説明するマイクロチップ１の例に限定されるものでは無く、様々な用途のマイクロチップ１に適用できる。
【００６７】
図６（ｃ）はマイクロチップ１内部の微細流路および流路エレメントの機能を説明するための説明図である。
【００６８】
微細流路には、例えば検体液を収容する検体収容部２２１、試薬類を収容する試薬収容部２２０などが設けられており、場所や時間を問わず迅速に検査ができるよう、試薬収容部２２０には必要とされる試薬類、洗浄液、変性処理液などがあらかじめ収容されている。図６（ｃ）において、試薬収容部２２０、検体収容部２２１および流路エレメントは四角形で表し、その間の微細流路は実線と矢印で表す。
【００６９】
マイクロチップ１は、微細流路を形成した溝形成基板１０８と溝状の流路を覆う被覆基板１０９から構成されている。微細流路はマイクロメーターオーダーで形成されており、例えば幅は数μｍ〜数百μｍ、好ましくは１０〜２００μｍで、深さは２５〜５００μｍ程度、好ましくは２５〜２５０μｍである。
【００７０】
少なくともマイクロチップ１の溝形成基板１０８には、上記の微細流路が形成されている。被覆基板１０９は、少なくとも溝形成基板の微細流路を密着して覆う必要があり、溝形成基板の全面を覆っていても良い。なお、マイクロチップ１の微細流路には、例えば、図示せぬ送液制御部、逆流防止部（逆止弁、能動弁など）などの送液を制御するための部位が設けられ、逆流を防止し、所定の手順で送液が行われるようになっている。
【００７１】
検体注入部２１３はマイクロチップ１に検体を注入するための注入部、駆動液注入部１１０はマイクロチップ１に駆動液を注入するための注入部である。マイクロチップ１による検査を行うに先立って、検査担当者は検体を検体注入部２１３から注射器などを用いて注入する。図６（ｃ）に示すように、検体注入部２１３から注入された検体は、連通する微細流路を通って検体収容部２２１に収容される。
【００７２】
次に、駆動液注入部１１０ａから駆動液を注入すると、駆動液は連通する微細流路を通って検体収容部２２１に収容されている検体を押し出し、増幅部２２２に検体を送り込む。
【００７３】
一方、駆動液注入部１１０ｂから注入された駆動液は、連通する微細流路を通って試薬収容部２２０ａに収容されている試薬ａを押し出す。試薬収容部２２０ａから押し出された試薬ａは増幅部２２２に駆動液によって送り込まれる。このときの反応条件によっては、増幅部２２２の部分を所定の温度にする必要があり、後で説明するように筐体８２の内部で加熱または吸熱して所定の温度で反応させる。
【００７４】
所定の反応時間の後、さらに駆動液により増幅部２２２から送り出された反応後の検体を含む溶液は、検出部１１１に注入される。注入された溶液は検出部１１１の流路壁に担持されている反応物質と反応し流路壁に固定化する。
【００７５】
次に、駆動液注入部１１０ｃから駆動液を注入すると、駆動液は連通する微細流路を通って試薬収容部２２０ｂに収容されている試薬ｂを押し出し、微細流路から検出部１１１に注入する。
【００７６】
同様に、駆動液注入部１１０ｄから駆動液を注入すると、駆動液は連通する微細流路を通って試薬収容部２２０ｃに収容されている試薬を押し出し、微細流路から検出部１１１に注入する。
【００７７】
最後に、駆動液注入部１１０ｅから駆動液を注入して、洗浄液収容部２２３から洗浄液を押しだし、検出部１１１に注入する。洗浄液によって検出部１１１内に残留している未反応の溶液４１を洗浄する。
【００７８】
洗浄後、検出部１１１の流路壁に吸着した反応物の濃度を光学的に測定することによって、増幅した遺伝子など被検出物を検出する。このように、駆動液注入部１１０から駆動液を順次注入することにより、マイクロチップ１の内部で所定の処理が行われる。
【００７９】
図７は、実施形態の反応検出装置８０の内部構成の一例を示す断面図である。反応検出装置８０は温度調節ユニット１５２、光検出部１５０、中間流路部１８０、マイクロポンプユニット５、パッキン９０ａ、９０ｂ、駆動液タンク９１などから構成される。以下、これまでに説明した構成要素と同一の構成要素には同番号を付し、説明を省略する。
【００８０】
図７は、マイクロチップ１の上面を温度調節ユニット１５２とマイクロポンプユニット５に密着させている状態である。マイクロチップ１は図示せぬ駆動部材により駆動され、紙面上下方向に移動可能である。
【００８１】
初期状態において、マイクロチップ１は図７の紙面左右方向に挿抜可能であり、検査担当者は挿入口８３から図示せぬ規制部材に当接するまでマイクロチップ１を挿入する。所定の位置までマイクロチップ１を挿入するとフォトインタラプタなどを用いたチップ検知部９５がマイクロチップ１を検知し、オンになる。
【００８２】
温度調節ユニット１５２は、ペルチェ素子、電源装置、温度制御装置などを内蔵し、発熱または吸熱を行ってマイクロチップ１の下面を所定の温度に調整するユニットである。
【００８３】
図示せぬ制御部が、チップ検知部９５がオンになった信号を受信すると、駆動部材によりマイクロチップ１を下降させて、マイクロチップ１の下面を温度調節ユニット１５２とパッキン９２を介して中間流路部１８０に押しつけて密着させる。
【００８４】
マイクロチップ１の駆動液注入部１１０は、マイクロチップ１とパッキン９２を密着させたときに、中間流路部１８０に設けられた対応する開口１８５とそれぞれ連通する位置に設けられている。中間流路部１８０は、中間流路１８２の溝を設けた透明な第１基板１８４と、第１基板１８４を覆う透明な第２基板１８３から構成され、中間流路１８２の両端には開口１８５と開口１８６が設けられている。開口１８６はパッキン９０ｂを介してマイクロポンプユニット５の入出力口１４６と連通している。
【００８５】
マイクロポンプユニット５の吸込側には、パッキン９０ａを介して駆動液タンク９１が接続され、駆動液タンク９１に充填された駆動液をパッキン９０ａを介して吸い込むようになっている。一方、マイクロポンプユニット５の吐出側の端面に設けられた入出力口１４６は中間流路１８２を介してマイクロチップ１の駆動液注入部１１０と連通しているので、マイクロポンプユニット５から送り出された駆動液は、マイクロチップ１の駆動液注入部１１０からマイクロチップ１内に形成された流路２５０に注入される。このようにして、マイクロポンプユニット５から駆動液注入部１１０に駆動液を注入する。
【００８６】
液温調節ユニット１９５は、ペルチェ素子、電源装置、温度制御装置などを内蔵し、発熱または吸熱を行って駆動液タンク９１を所定の温度に調整するユニットである。
【００８７】
なお、図２に図示したマイクロポンプユニット５の例ではマイクロポンプＭＰが８つ設けられているが、全てのマイクロポンプＭＰを使用する必要はない。図６に図示したマイクロチップ１の場合は、５つのマイクロポンプＭＰが連通するよう駆動液注入部１１０を配置すれば良い。
【００８８】
マイクロチップ１の検出部１１１では、検体とマイクロチップ１内に貯蔵された試薬が反応して、例えば呈色、発光、蛍光、混濁などをおこす。本実施形態では図６で説明したように、検出部１１１でおこる試薬の反応結果を光学的に検出する。光検出部１５０は第２発光部１５０ａと第２受光部１５０ｂから成り、マイクロチップ１の検出部１１１を透過する光を検出できるように配置されている。
【００８９】
図８は、本発明の実施形態における反応検出装置８０の回路ブロック図である。
【００９０】
制御部９９は、ＣＰＵ９８（中央処理装置）とＲＡＭ９７（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ），ＲＯＭ９６（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）等から構成され、不揮発性の記憶部であるＲＯＭ９６に記憶されているプログラムをＲＡＭ９７に読み出し、当該プログラムに従って反応検出装置８０の各部を集中制御する。
【００９１】
以下、いままでに説明した機能と同一機能を有する機能ブロックには同番号を付し、説明を省略する。
【００９２】
ＣＰＵ９８は所定のシーケンスで検査を行い、検査結果をＲＡＭ９７に記憶する。検査結果は、操作部８７の操作によりメモリカード５０１に記憶したり、プリンタ５０３によってプリントすることができる。ＣＰＵ９８はポンプ駆動制御部４１２を有している。
【００９３】
ＲＯＭ９６は、マイクロポンプＭＰ毎に流量Ｑ、圧力Ｐと駆動電圧Ｅの波形のパラメータとの関係を示す性能データをテーブルにしたポンプ性能テーブル３０２を備えている。駆動電圧Ｅの波形のパラメータは図４で説明した立ち上がり時間Ｔ１、立ち下がり時間Ｔ３の何れかである。
【００９４】
ポンプ駆動部５００は各マイクロポンプＭＰの圧電素子１１２を駆動する本発明の駆動手段である。ポンプ駆動制御部４１２は、プログラムに基づいて駆動液を注入または吸入するようにポンプ駆動部５００を制御する。
【００９５】
詳しくは、ポンプ駆動制御部４１２は、ＲＯＭ９６に記憶されているポンプ性能テーブル３０２に基づいて、所定の流量Ｑまたは圧力Ｐが得られる波形のタイミング（立ち上がり時間Ｔ１または立ち下がり時間Ｔ３）をポンプ駆動部５００に指令する。ポンプ駆動部５００はポンプ駆動制御部４１２の指令を受けて図３に示すような波形の駆動電圧を発生しマイクロポンプＭＰを駆動する。なお、指令を受けた波形のタイミング以外の波形のタイミングはや最大電圧ｅ１はポンプ駆動部５００に予め設定されている。
【００９６】
ポンプ駆動制御部４１２からの指令は、例えば制御部９９が備えるＤ／Ａ変換器により制御電圧としてポンプ駆動部５００に入力される。ポンプ駆動部５００は入力された制御電圧を積分し図３で説明した駆動電圧を発生する。
【００９７】
ポンプ駆動制御部４１２は本発明の制御手段、ＲＯＭ９６は本発明の記憶手段、ポンプ性能テーブル３０２は本発明の性能データである。
【００９８】
チップ検知部９５はマイクロチップ１が規制部材に当接すると検知信号をＣＰＵ９８に送信する。ＣＰＵ９８は検知信号を受信すると、機構駆動部３２に指令し所定の手順でマイクロチップ１を下降または上昇させる。
【００９９】
ＣＰＵ９８は所定のシーケンスで検査を行い、検査結果をＲＡＭ９７に記憶する。検査結果は、操作部８７の操作によりメモリカード５０１に記憶したり、プリンタ５０３によってプリントすることができる。
【０１００】
図９は本発明の実施形態において、反応検出装置８０による検査の手順を説明するフローチャートである。
【０１０１】
なお、ＣＰＵ９８は機構駆動部３２を制御し、挿入口８３から挿入されたマイクロチップ１をパッキン９２と温度調節ユニット１５２に適当な圧力で密着するまで下降させているものとする。また、温度調節ユニット１５２は反応検出装置８０の電源投入時に通電され、所定の温度になっているものとする。
【０１０２】
Ｓ１０１：ポンプ性能テーブル３０２を参照するステップである。
【０１０３】
ポンプ駆動制御部４１２は、ポンプ性能テーブル３０２に記憶されている所定のマイクロポンプＭＰの性能データから、所定の流速Ｑまたは圧力Ｐで駆動するためのパラメータを得る。パラメータは立ち上がり時間Ｔ１、立ち下がり時間Ｔ３の何れかである。
【０１０４】
Ｓ１０２：パラメータを設定するステップである。
【０１０５】
ポンプ駆動制御部４１２は、ポンプ駆動部５００に所定のパラメータを設定する。パラメータは立ち上がり時間Ｔ１、立ち下がり時間Ｔ３の何れかである。
【０１０６】
Ｓ１０３：マイクロポンプＭＰを駆動するステップである。
【０１０７】
ポンプ駆動制御部４１２は所定のシーケンスのパラメータに従って、ポンプ駆動部５００に指令して所定のマイクロポンプＭＰを駆動し、マイクロチップ１の駆動液注入部１１０に駆動液を順次注入する。注入された駆動液は、マイクロチップ１の流路内の検体や試薬を所定のシーケンスで検出部１１１まで送り込み、反応させる。
【０１０８】
Ｓ１０４：検出部１１１の反応結果を検出するステップである。
【０１０９】
所定の反応時間経過後、ＣＰＵ９８は、発光部１５０ａを発光させてマイクロチップ１の検出部１１１を照明し、検出部１１１を透過した透過光を受光した受光部１５０ｂからの入力信号をＣＰＵ９８に内蔵するＡ／Ｄ変換器でデジタル値に変換し、測光値を得る。
【０１１０】
Ｓ１０５：反応結果を表示するステップである。
【０１１１】
ＣＰＵ９８は、光検出部１５０が測光した結果から演算し、反応結果を表示部８４に表示する。
【０１１２】
以上で検査の手順は終了である。
【０１１３】
なお、本実施形態ではポンプ駆動制御部４１２がパラメータとして立ち上がり時間Ｔ１または立ち下がり時間Ｔ３を設定する例を説明したが、特に限定されるものではなく、流量Ｑ、圧力Ｐと駆動電圧Ｅの波形のパラメータは最大電圧ｅ１や周波数、駆動電圧波形のデューティ比などでも良い。
【０１１４】
以上このように、本発明によれば、マイクロポンプの特性バラツキを簡単な方法で補正し、所定の流量または圧力で駆動液をマイクロチップに送液する反応検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本発明の実施形態における反応検出装置８０の外観図である。
【図２】本発明の実施形態に係わるマイクロポンプユニット５の一例についての説明図である。
【図３】圧電素子１１２に供給する駆動電圧Ｅと流量Ｑの関係を示す説明図である。
【図４】圧電素子１１２に供給する駆動電圧波形の立ち上がり時間Ｔ１、立ち下がり時間Ｔ２と流量Ｑ、圧力Ｐの関係を示す説明図である。
【図５】圧電素子１１２に供給する最大電圧ｅ１と流量Ｑ、圧力Ｐの関係を示す説明図である。
【図６】本発明の実施形態に係わるマイクロチップ１の一例についての説明図である。
【図７】反応検出装置８０の内部構成の一例を示す断面図である。
【図８】本発明の実施形態における反応検出装置８０の回路ブロック図である。
【図９】反応検出装置８０の検査の手順を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【０１１６】
１  マイクロチップ
４  駆動液
５  マイクロポンプユニット
８０  反応検出装置
８３  挿入口
８４  表示部
９０  パッキン
９１  駆動液タンク
１１０  駆動液注入部
１１１  検出部
１５０  光検出部
１９０  駆動液検知手段
１９１  第１受光部
１９３  第１発光部
１９５  液温調節ユニット
２１３  検体注入部
３０２  ポンプ性能テーブル
４１２  ポンプ駆動制御部
５００  ポンプ駆動部
ＭＰ  マイクロポンプ
【図１】
2009062911.tif 000003
【図２】
2009062911.tif 000004
【図３】
2009062911.tif 000005
【図４】
2009062911.tif 000006
【図５】
2009062911.tif 000007
【図６】
2009062911.tif 000008
【図７】
2009062911.tif 000009
【図８】
2009062911.tif 000010
【図９】
2009062911.tif 000011