(57)【要約】【課題】試薬と検体が流路の途中で混合しないように分離させる気体が、混合部に混入しないようして検体の特性を調べることが可能なマイクロチップを提供する。【解決手段】試薬と検体とを分離する気体の体積Ｖ１が、試薬と検体とを混合する混合部の流路方向から見た断面積をＳ１、流路の幅をＷ１、試薬と検体の合計の体積をＶ２としたとき、（２／π）×Ｓ１×Ｗ１＜Ｖ１、（２／π）×Ｓ１×Ｗ１＜Ｖ２の関係が成り立つと、試薬と検体が流路壁面にトラップされ気体は試薬と検体を追い越すので、流路内には気体が通過した後の試薬と検体の混合液が残留し、次工程において検体の特性を調べることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１種類の試薬と、前記試薬と反応させる検体とを、間に気体を介して送液させる流路と、
前記流路内に設けた前記試薬と前記検体とを混合する混合部と、
を有するマイクロチップであって、
前記気体の体積をＶ１、前記送液方向から見た前記混合部の断面積をＳ１、幅をＷ１、前記試薬と前記検体の合計の体積をＶ２としたとき、以下の関係式（１）、（２）を満たすことを特徴とするマイクロチップ。
（２／π）×Ｓ１×Ｗ１＜Ｖ１      （１）
（２／π）×Ｓ１×Ｗ１＜Ｖ２      （２）
【請求項２】
前記試薬又は前記検体と、前記流路の壁面との接触角が９０°以上であり、かつ前記試薬又は前記検体と、前記混合部の壁面との接触角が９０°以上であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロチップ。
【請求項３】
前記混合部の送液方向上流側の流路の前記送液方向から見た断面積をＳ２、幅をＷ２としたとき以下の関係式（３）を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロチップ。
（２／π）×Ｓ２×Ｗ２＞Ｖ１      （３）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロチップに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロマシン技術及び超微細加工技術を駆使することにより、従来の検体調製、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、など）を微細化して１チップ上に集積化したマイクロチップを用いたシステムが注目されている。これは、μ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍ）とも呼ばれ、マイクロチップ上で、試薬と検体（例えば、検査を受ける被験者の尿、唾液、血液、検体を処理して抽出したＤＮＡ処理した抽出溶液など）を混合させ、その反応を検出することにより検体の特性を調べるシステムである。
【０００３】
マイクロチップは、樹脂材料やガラス材料からなる基体に、フォトリソプロセス（パターン像を薬品によってエッチングして溝を作成する方法）や、レーザ光を利用して溝加工を行い、試薬や検体を流すことができる微細な流路と試薬を蓄える液溜部を設けており、さまざまなパターンが提案されている。
【０００４】
しかし、試薬と検体を混合させる際、混合部以外のマイクロチップ流路内で混合すると正確な検体の特性を調べることができなくなる。そこで、流路の途中には試薬と検体が混合部以外の場所で混合や反応を行わないように、例えば特許文献１には、試薬と検体の間に試薬や検体に対して無反応の液体を用いて分離する技術が開示されている。
【０００５】
さらに特許文献２には、試薬と検体との間に気体を用いて分離する方法が記載されており、このときに発生する気体が、反応部などの次の流路に流出しないように流路の溝に段差をつけ液滴をトラップする技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−２７４１９９号公報
【特許文献２】特開２００６−２６６９２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示されているような液体を用いて分離する技術手段では試薬と検体の間に液体を供給するために、新たな流路を設けなければならない。そのためマイクロチップの流路パターンが複雑になり、さらに液体をタイミング良く供給するための制御を行わなければならないという問題や、正確な制御を行うためにコストが上がると言う新たな問題が発生する。
【０００７】
また特許文献２に開示されている技術手段では、気体をトラップするために、試薬などを送液するためのポンプなどの送液圧力を制御しなければならないという問題がある。
【０００８】
本発明は、試薬と検体が流路の途中で混合しないように分離させる気体が、混合部に混入しないようして検体の特性を調べることが可能なマイクロチップを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的は、下記構成により達成できる。
１．少なくとも１種類の試薬と、前記試薬と反応させる検体とを、間に気体を介して送液させる流路と、
前記流路内に設けた前記試薬と前記検体とを混合する混合部と、
を有するマイクロチップであって、
前記気体の体積をＶ１、前記送液方向から見た前記混合部の断面積をＳ１、幅をＷ１、前記試薬と前記検体の合計の体積をＶ２としたとき、以下の関係式（１）、（２）を満たすことを特徴とするマイクロチップ。
（２／π）×Ｓ１×Ｗ１＜Ｖ１      （１）
（２／π）×Ｓ１×Ｗ１＜Ｖ２      （２）
２．前記試薬又は前記検体と、前記流路の壁面との接触角が９０°以上であり、かつ前記試薬又は前記検体と、前記混合部の壁面との接触角が９０°以上であることを特徴とする１に記載のマイクロチップ。
３．前記混合部の送液方向上流側の流路の前記送液方向から見た断面積をＳ２、幅をＷ２としたとき以下の関係式（３）を満たすことを特徴とする１又は２に記載のマイクロチップ。
（２／π）×Ｓ２×Ｗ２＞Ｖ１      （３）
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、試薬と検体とを分離する気体の体積Ｖ１が、試薬と検体とを混合する混合部の流路方向から見た断面積をＳ１、流路の幅をＷ１、試薬と検体の合計の体積をＶ２としたとき、
（２／π）×Ｓ１×Ｗ１＜Ｖ１      （１）
（２／π）×Ｓ１×Ｗ１＜Ｖ２      （２）
の式（１）、（２）関係が成り立つと、混合部で試薬及び検体が流路壁面にトラップされ気体は試薬と検体をすり抜けるので、気体が混合することがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限らない。また、以下の、本発明の実施の形態における断定的な説明は、ベストモードを示すものであって、本発明の用語の意義や技術的範囲を限定するものではない。
【００１２】
図１に本実施の形態に係るマイクロチップを示す。マイクロチップ１は、略矩形のカード形状であり、一連の流路が形成されている。マイクロチップ１の壁面を構成する基材ＢＰは、例えばシリコン、ガラス、セラミックス、石英などで製作される一枚のチップから構成されている。これら基材ＢＰは、外部からの圧力に対して液体が移動して他の試薬が混入するのを防止するために、撥水性が優れていることが望ましい。具体的には基材ＢＰと、試薬Ｌ、検体Ｑ、との接触角ψはそれぞれ９０°以上になるように撥水処理を施してある（図３参照）。
【００１３】
もちろんマイクロチップ１は図１に示す形状に限定されるものではなく、その配置、形状、寸法、大きさなどは、検体の種類、検査項目などに応じて変更可能である。
【００１４】
図１において、Ｐ１、Ｐ２は、駆動液Ｄを注入する注入口である。駆動液Ｄはマイクロチップ１内の液状の試薬Ｌや検体Ｑを流路に沿って送液するための液であり、試薬Ｌや検体Ｑに対して反応しない純水などの液体が用いられる。駆動液Ｄは、液を送液する液駆動ポンプ（不図示）によって送液される。
【００１５】
符号２は検体Ｑを貯留する検体貯留部であり、検体Ｑは注入口Ｐ３から液駆動ポンプを用いて注入される。符号３、４は気体Ｅ及び試薬Ｌを貯留する流路であり、注入口Ｐ５から液駆動ポンプを用いて注入される。なお、液駆動ポンプは、複数の注入口に対してそれぞれ専用に用意されている。
【００１６】
符号５は、試薬Ｌと検体Ｑを混合させる混合部である。符号ＲＢは、疎水性バルブ（バルブＲＢという）であり、マイクロチップ１内に送液される液体を所定の位置で一旦停止させるために設けるものである。バルブＲＢは、断面積が送液流路よりもさらに小さく、幅及び深さとも絞られた短い流路形状である。液駆動ポンプが、マイクロチップ１内にある試薬Ｌや検体Ｑなどの液体を所定圧力よりも低い圧力で送液したときには、液体がバルブＲＢから広幅の流路に出ようとする際に、液体の表面に働く表面張力によって液体の送液が妨げられるので送液は停止される。液体を所定圧力以上で送液したときには、この表面張力に打ち勝ち、液体はバルブＲＢを通過し下流に送液される。このように、バルブＲＢを設けることにより試薬保管時には落下などの衝撃に対してそれぞれの液体の位置が不動である一方で、送液時には高抵抗の流路を通過することが可能な圧力をかけることで送液を可能にしている。
【００１７】
本実施例では、流路６の断面積は５００００μｍ2（幅２００μｍ×深さ２５０μｍ）であり、バルブＲＢの断面積は６２５μｍ2（幅２５μｍ×深さ２５μｍ）とした。
【００１８】
符号７は流路４と混合部５との間を繋ぐ混合部前流路である。
【００１９】
図２は、マイクロチップ１内に貯留されている試薬Ｌと検体Ｑが、駆動液Ｄによって順次送液されるところを示す図である。なお図中、網模様部は検体Ｑ、細かいハッチング部は気体Ｅ、粗いハッチング部は試薬Ｌ１を示す。
【００２０】
図２（ａ）において、流路３には気体が注入口Ｐ４から注入され、流路４には試薬Ｌ１が貯留されている。また検体貯留部２には検体Ｑが貯留され、それぞれバルブＲＢ１、ＲＢ２によって液が流れ出さないようになっている。
【００２１】
次いで図２（ｂ）に示すように、注入口Ｐ１から駆動液Ｄが所定の圧力で注入され、検体貯留部２に貯留されている検体ＱはバルブＲＢ１に抗して下流に押し出され、流路６に貯蔵される。
【００２２】
次いで図２（ｃ）に示すように、注入口Ｐ２から駆動液Ｄが所定の圧力で注入され、検体ＱはバルブＲＢ２を通って流路３に押し出される。検体Ｑが流路３に貯留されるに伴って、気体Ｅと試薬Ｌ１は順次流路４、混合部前流路７に移動する。
【００２３】
更に図２（ｄ）に示すように、注入口Ｐ２から注入された駆動液Ｄがさらに注入され、気体Ｅは混合部前流路７に移動する。これにより図２（ｅ）に示すように、検体Ｑも混合部前流路７に送液される。
【００２４】
また、図６は混合部前流路７に試薬Ｌと検体Ｑが壁面にトラップされているところを示す図２（ｅ）の拡大図である。
【００２５】
ここで、混合部前流路７には、気体Ｅが同時に混入されている。この気体Ｅが混入された混合液は、例えば反応部などの後次工程で加熱したりすると気体Ｅの膨張などにより正確な検査が行えない等の問題が発生する。
【００２６】
本発明は、流路壁面に試薬や検体などの液体（単に液体という）を付着（トラップという）させた状態にして、その間に気体Ｅを流路から通過させ、次工程に気体Ｅが混入しないようにしたマイクロチップである。以下にその詳細を説明する。
【００２７】
一般に、空中の液体（液滴という）は、表面張力により液滴の表面積を最小にしようとするので球状になる。ここで液滴が流路を流れるとすると、液滴と流路の壁面との接触角ψが９０°以上になるような表面処理を施した流路の壁面を液滴が通過する際に、球状を保つか、壁面に付着して半球になるか否かは液滴の表面積に依存し、表面積が小さい方が壁面に付着する。計算によれば同体積の液滴のとき、液滴が半球状のときの表面積の方が球状の表面積より小さいので壁面へ付着し続ける。
【００２８】
液滴は全ての壁に接すると壁に付着し続ける（安定するという）が、ある程度壁との距離が離れると表面積が大きくなり、付着力が減少して移動する。このときの壁との距離を臨界幅という。液滴が壁側に付着してその横を液滴が追い越すがどうかは
１）流路の幅が臨界幅以上であること。
２）液滴の横を流れる気体の圧力に抗して、液滴が壁面に付着し続けること。
を満足していることである。
（臨界幅を求める）
液滴が流路全周面に接触しているときの流路の断面形状を矩形としたとき、液滴の形状は角柱となる（図４参照）。送液方向から見たその幅をｗ（臨界幅という）、高さをｈ、液滴の長さをｌとすると、
液滴の体積ｖ＝ｗｈｌ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（４）
液滴の面積ｓ１＝２ｗｈ・・・・・・・・・・・・・・・・・（５）
液滴付着力ｆ１＝２σ（ｗ＋ｈ）・・・・・・・・・・・・・（６）
である。なお、σは液体の表面張力である。
【００２９】
次に、半球状になる場合は（図５参照）、
液滴の半径をｒ、高さをｈとすると、
液滴の体積ｓｖ＝（１／２）πｒ2ｈ・・・・・・・・・・・（７）
液滴の面積ｓ２＝πｒｈ・・・・・・・・・・・・・・・・・（８）
液滴付着力ｆｖ＝２σ（πｒ＋ｈ）・・・・・・・・・・・・（９）
液滴の面積が小さい方が安定するから、
２ｗｈ＞πｒｈ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１０）
よって臨界幅ｗは
ｗ＝（１／２）πｒ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１１）
であり、それ以上のとき液滴が安定する。
（流路断面形状との関係）
（１１）を変形して
（２／π）ｗ＝ｒ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１２）
流路の断面積をｓ１とすると
ｓ１＝ｗｈであるので
ｈ＝ｓ１／ｗ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１３）
（１２）を（７）に代入して
ｓｖ＝（１／２）π×（（２／π）ｗ）2×ｓ１／ｗ
＝（２／π）×Ｓ１×ｗ・・・・・・・・・・・・・・・（１４）
となる。
液滴が壁面にトラップされるためには
ｓｖ＜（２／π）×Ｓ１×ｗ・・・・・・・・・・・・・・・（１５）
となる。
【００３０】
ここで、試薬と検体を流路内で分離するために設けた気体Ｅの体積をＶ１とすると、液滴が流路壁面にトラップされ、気体Ｅが液体をすり抜けるためには、
Ｖ１＞ｓｖ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１６）
であり、さらに、
Ｖ１＞（２／π）×Ｓ１×ｗ・・・・・・・・・・・・・・・（１）
が成り立つ必要がある。
【００３１】
さらに混合部は、液滴が逆流しないようにするために試薬と検体の合計の体積Ｖ２より小さい体積にする必要がある。すなわち
（２／π）×Ｓ１×Ｗ１＜Ｖ２・・・・・・・・・・・・・・（２）
となる。
【００３２】
混合部前の流路７は試薬Ｌや検体Ｑを一旦トラップし、その間に液滴を通過させるための流路であり、気体の体積Ｖ１と混合部の手前の流路７の断面積をＳ２、手前の流路７の幅をＷ２とすると、
（２／π）×Ｓ２×Ｗ２＞Ｖ１・・・・・・・・・・・・・・（３）
であるときに、液滴Ｖ１が混合部前の流路７を通過し、液体が壁面にトラップされる。
【００３３】
以上の（１）、（２）、（３）を満足する形状を有するマイクロチップの流路を用いれば、液滴は流路の壁面にトラップされるので、液滴Ｖ１は液体を追い越して混合部５の送液方向下流側に送液することができる。以降の工程において、検体の特性を調べることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本実施の形態に係るマイクロチップを示す図である。
【図２】図２（ａ）は、２つの流路に異なる試薬が貯留され、検体貯留部に検体が貯留されたところを示す図である。図２（ｂ）は、注入口から駆動液が注入され、検体が流路に貯蔵されるところを示す図である。図２（ｃ）は、駆動液の注入により、検体が流路に押し出されたところを示す図である。図２（ｄ）は、駆動液がさらに注入され、試薬が混合部に送液されたところを示す図でる。図２（ｅ）は、検体も混合部に送液されたところを示す図である。
【図３】基材ＢＰと、試薬Ｌ、検体Ｑ、との接触角ψを示す図である。
【図４】液体の形状が角柱のときを示す図である。
【図５】液体が半球形になる場合を示す図である。
【図６】図２（ｅ）の混合部前流路付近を拡大した図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  マイクロチップ
２  検体貯留部
５  混合部
７  混合部前の流路
Ｐ１〜Ｐ５  注入口
Ｓ１  混合部断面
Ｗ１  流路の幅
Ｖ１  気体の体積
Ｄ  駆動液
Ｌ  試薬
Ｑ  検体
【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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