(57)【要約】【課題】流体の種類の変化を適切に検出できる流体判別装置を提供する。【解決手段】マイクロ流路において、複数種類の流体を制御された流速で通過させ、マイクロ流路に介挿された各流体を加熱する抵抗４０によって検出された温度変化に基づき、マイクロ流路において流れる流体の種類を判別する。例えば、流れて来る流体が、比較的熱伝導率が小さい流体から比較的熱伝導率が大きい流体に変化すると、抵抗値が大きく発熱量が小さい抵抗５０は、温度変化しないが、抵抗値が小さく発熱量が大きい抵抗４０は、より多くの熱を奪われるので温度が低下する。従って、抵抗４０の抵抗値が下がるので、ブリッジ回路のバランスが崩れることになる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数種類の流体を順次に流す一の流路と、
前記一の流路において、複数種類の流体を制御された流速で通過させる流体駆動手段と、
前記一の流路に介挿され、各前記流体を加熱しつつ温度変化を検出する一の加熱検出手段を含み、該加熱検出手段によって検出された前記温度変化に基づき、前記一の流路において流れる流体の種類を判別する判別手段と、
を備える流体判別装置。
【請求項２】
請求項１に記載の流体判別装置であって、
前記加熱検出手段が、第一の抵抗体からなり、
前記判別手段が、前記第一の抵抗体より大きい抵抗値を有し且つ前記第一の抵抗体に並列に接続された第二の抵抗体をさらに含み、前記第一の抵抗体における発熱量と前記第二の抵抗体における発熱量との差に基づき、前記一の流路において流れる前記流体の種類を判別する流体判別装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の流体判別装置であって、
前記複数種類の流体が、血液、前記血液内の細胞を破砕する細胞破砕液、前記血液と前記細胞破砕液との混合液を洗浄する洗浄液、および水を含み、
前記一の流路が、前記血液内の細胞が前記細胞破砕液によって破砕されて得られるＤＮＡを吸着するガラスビーズが詰められたマイクロ流路を含む流体判別装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載の流体判別装置であって、
前記判別手段による判別結果に応じて、前記複数種類の流体のうちの所定種類の流体と、前記所定種類の流体と種類が異なる流体とを異なる経路に分別して流出させる分別手段、
を更に備える流体判別装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の種類を判別する技術に関する。
【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、従来の試料調整、化学分析、または化学合成などを行うための装置または手段（例えばポンプ、バルブ、流路、およびセンサなど）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。
【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）、または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、または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、または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マイクロ総合分析システムは、コスト、必要試料量、および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いえる。以下では、チップ上に遺伝子検査システムを構築する場合を例に採り説明する。
【０００４】
遺伝子検査を行うには、血液中の細胞からＤＮＡを抽出する、前処理と呼ばれる工程が必要となる。まず、血液を細胞破砕液と混合することにより、血液中の細胞を破壊する。次に、この混合液を、ガラスビーズを詰めたマイクロ流路に流すことにより、ガラスビーズにＤＮＡを吸着させる。次に、洗浄液を、上記マイクロ流路に流すことにより、ガラスビーズを洗浄し混合液を選択的に除去する。次に、水を、上記マイクロ流路に流すことにより、ガラスビーズからＤＮＡを水に溶解させる。この水からＤＮＡを抽出することにより、ＤＮＡを、血液と細胞破砕液との混合液から選択的に抽出することができる。
【０００５】
すなわち、前処理をチップ上で行うためには、チップ上に、ガラスビーズを詰めた流路を設け、この流路に、混合液、洗浄液、および水をこの順に流し、（ＤＮＡが溶出した）水を選択的に取り出す必要がある。
【０００６】
水を選択的に取り出すには、流体をＣＣＤで撮影することにより、流体同士の境界を検知するか、あるいは、各液体を、十分な間隔をおいて流す手法がある。しかし、このような手法では、装置が大がかりになったり、多大な時間がかかってしまうという問題点があった。
【０００７】
このような問題点を解決するために、特許文献１においては、ヒーターに対して流体の流れる方向と略直交方向（２箇所）にサーモパイル（温度センサ）を配置し、この温度センサの温度変化を検出することで流体の種類が変化したことを検知する流体判別装置が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−１２９８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に開示された流体判別装置は、ヒーターと温度センサとが離れて配置されているので、流体の種類の変化の検出にタイムラグが生じたり、流体同士の境界の状態や部品の精度により流体の種類の変化の検出精度が低下したりする。すなわち、流体の種類の変化を適切に検出できないという問題点があった。
【００１０】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、流体の種類の変化を適切に検出できる流体判別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、請求項１に記載の発明に係る流体判別装置は、複数種類の流体を順次に流す一の流路と、前記一の流路において、複数種類の流体を制御された流速で通過させる流体駆動手段と、前記一の流路に介挿され、各前記流体を加熱しつつ温度変化を検出する一の加熱検出手段を含み、該加熱検出手段によって検出された前記温度変化に基づき、前記一の流路において流れる流体の種類を判別する判別手段と、を備える。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明に係る流体判別装置は、請求項１に記載の流体判別装置であって、前記加熱検出手段が、第一の抵抗体からなり、前記判別手段が、前記第一の抵抗体より大きい抵抗値を有し且つ前記第一の抵抗体に並列に接続された第二の抵抗体をさらに含み、前記第一の抵抗体における発熱量と前記第二の抵抗体における発熱量との差に基づき、前記一の流路において流れる前記流体の種類を判別する。
【００１３】
また、請求項３に記載の発明に係る流体判別装置は、請求項１又は請求項２に記載の流体判別装置であって、前記複数種類の流体が、血液、前記血液内の細胞を破砕する細胞破砕液、前記血液と前記細胞破砕液との混合液を洗浄する洗浄液、および水を含み、前記一の流路が、前記血液内の細胞が前記細胞破砕液によって破砕されて得られるＤＮＡを吸着するガラスビーズが詰められたマイクロ流路を含む。
【００１４】
また、請求項４に記載の発明に係る流体判別装置は、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の流体判別装置であって、前記判別手段による判別結果に応じて、前記複数種類の流体のうちの所定種類の流体と、前記所定種類の流体と種類が異なる流体とを異なる経路に分別して流出させる分別手段、を更に備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る流体判別装置は、一の加熱検出手段を用いて、各流体を加熱しつつ温度変化を検出するので、加熱手段と検出手段とが離れて配置される場合に比べて、流体の種類の変化の検出にタイムラグが生じたり、流体同士の境界の状態や部品の精度により流体の種類の変化の検出精度が低下したりすることを防ぐことができるので、流体の種類の変化を適切に検出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１に係る流体判別装置を備える遺伝子検査システムにおいて血液中の細胞からＤＮＡを抽出する前処理工程を示す模式図である。
【００１７】
図１に示されるように水、細胞破砕液、血液、および洗浄液は、それぞれ、流体駆動手段（例えばポンプ）２１により流速を制御されつつ流されており、マイクロ流路からなる細胞溶解エリア１０に流し込まれ混合される。細胞溶解エリア１０には、その終端部に、２０〜５０μｍ径のガラスビーズが詰め込まれている。
【００１８】
図１において、まず、血液を細胞破砕液と混合することにより、血液中の細胞を破壊する。次に、この混合液を、細胞溶解エリア１０に流すことにより、ガラスビーズにＤＮＡを吸着（トラップ）させる。次に、洗浄液を、細胞溶解エリア１０に流すことにより、ガラスビーズを洗浄し混合液を選択的に除去する。次に、水を、細胞溶解エリア１０に流すことにより、ガラスビーズからＤＮＡを水に溶解させる。この水からＤＮＡを抽出することにより、ＤＮＡを、血液と細胞破砕液との混合液から選択的に抽出することができる。
【００１９】
具体的には、複数種類の流体同士の境界（界面）を検出可能なセンサ２０をマイクロ流路に介挿して、細胞溶解エリア１０から順次流れてくる混合液、洗浄液、および水について、これらの境界を判別する。そして、センサ２０での判別結果に同期してスイッチ２２が流路を切り替えることにより、混合液および洗浄液を、不要な液体を流す流路へ流出させ、水を、必要な液体を流す流路へ選択的に流出させて、混合液および洗浄液と、水とが分別される。
【００２０】
図２は、図１のセンサ２０の動作原理を示す模式図である。センサ２０は、特許文献１に係る流体判別装置とは異なり、流体を加熱する加熱手段（ヒーター）と、加熱による温度の上昇を検出する検出手段とが、同一の抵抗体４０により実現されていることを特徴とする。なお、図２は模式図であるので、発明の理解に最低限必要な部材以外は、省略している。
【００２１】
図２のセンサ２０において、加熱手段と検出手段とを兼ねてなる抵抗体４０の一方端子と、温度補償用の抵抗体５０の一方端子とは、接点Ｎ１において電気的に接続されている。
【００２２】
抵抗体４０の他方端子は、接点Ｎ２において、半固定抵抗体４１の一方端子へ電気的に接続されている。半固定抵抗体４１の他方端子は、接点Ｎ４において、固定抵抗体４２の一方端子へ電気的に接続されている。固定抵抗体４２の他方端子は、接点Ｎ６において、接地されている。
【００２３】
抵抗体５０の他方端子は、接点Ｎ３において、半固定抵抗体５１の一方端子へ電気的に接続されている。半固定抵抗体５１の他方端子は、接点Ｎ５において、固定抵抗体５２の一方端子へ電気的に接続されている。固定抵抗体５２の他方端子は、接点Ｎ６において、接地されている。
【００２４】
抵抗体４０の他方端子は、接点Ｎ２において、オペアンプｏｐの負入力端子へ接続されている。抵抗体５０の他方端子は、接点Ｎ３において、オペアンプｏｐの正入力端子へ接続されている。オペアンプｏｐの出力端子は、増幅手段ａｍｐを介して、接点Ｎ１において、抵抗体４０の一方端子および抵抗体５０の一方端子へ電気的に接続されている。これにより、ブリッジ回路が構成される。また、オペアンプｏｐから出力される電圧ＶＯは、抵抗体４０，５０へフィードバックされるのみならず、センサ２０内部の流体判別回路６０により流体の種類の判別に用いられる。流体判別回路６０は、入力された電圧ＶＯに基づき、流体の境界を判別し、制御信号によりスイッチ２２を切り替える。
【００２５】
抵抗体４０、半固定抵抗体４１、および固定抵抗体４２は、いずれも、数１００Ωオーダーの抵抗値を有し、低抵抗系を構成する。また、抵抗体５０、半固定抵抗体５１、および固定抵抗体５２は、いずれも、数ｋΩオーダーの抵抗値を有し、高抵抗系を構成する。
【００２６】
図２の回路においては、抵抗体４０，５０のみが、流体と熱的に接触する（流体と熱をやりとりする）。抵抗体は、自身の温度より低い温度を有する流体と熱的に接触すると、該流体に固有の物性値（熱伝導率等）および該流体の流速に応じて熱量を奪われ、温度が低下することになる。但し、抵抗体５０は、抵抗体４０に比べて、極めて高い抵抗値を有するので、電流があまり流れておらず、従って発熱量が小さい。以下では、抵抗体４０，５０が、比較的熱伝導率が小さい流体Ａと熱的に接触し平衡状態にあった場合において、流れて来る流体が、比較的熱伝導率が大きい流体Ｂに変化したときを例にとり説明する。なお、流体Ａ，Ｂは、同一の温度を有するものとする。
【００２７】
流体Ａと熱的に接触し平衡状態にあった場合においては、発熱量が小さい抵抗５０は、流体Ａと同じ温度を保っており、発熱量が大きい抵抗４０は、流体Ａより高い温度を保ちつつ流体Ａを加熱している。すなわち、抵抗４０，５０は、一定の温度差で平衡状態を保っており、オペアンプｏｐの負入力端子へ入力される電位とオペアンプｏｐの正入力端子へ入力される電位とで電位差は０である。
【００２８】
次に、流れて来る流体が、比較的熱伝導率が大きい流体Ｂに変化すると、抵抗５０は、温度変化しないが、発熱量が大きい抵抗４０は、より多くの熱を奪われるので温度が低下する。従って、抵抗４０の抵抗値が下がるので、ブリッジ回路のバランスが崩れることになる。具体的には、抵抗体４０、半固定抵抗体４１、および固定抵抗体４２からなる低抵抗系の分圧において、抵抗体４０の分圧比が低くなるので、オペアンプｏｐの負入力端子へ入力される電位が高くなる。一方、抵抗５０の抵抗値は変化しないので、オペアンプｏｐの正入力端子へ入力される電位は変化しない。
【００２９】
これにより、オペアンプｏｐから出力される電圧ＶＯは高くなるので、増幅手段ａｍｐからフィードバックされる電圧も高くなる。従って、オペアンプｏｐの正入力端子へ入力される電位も高くなり、オペアンプｏｐの負入力端子へ入力される電位とオペアンプｏｐの正入力端子へ入力される電位とで電位差が小さくなる。すなわち、このようなフィードバック動作を繰り返すことにより、ブリッジ回路のバランスが回復する（言い換えれば、オペアンプｏｐの負入力端子へ入力される電位とオペアンプｏｐの正入力端子へ入力される電位とで電位差が０まで小さくなることにより、平衡状態に戻る）。
【００３０】
但し、上述したように、流体Ｂに係る平衡状態では、流体Ａに係る平衡状態と比べて、抵抗体４０、半固定抵抗体４１、および固定抵抗体４２からなる低抵抗系の分圧において、抵抗体４０の分圧比が低くなっているので、電圧ＶＯがより高い状態で安定することになる。すなわち、電圧ＶＯの変化を検出することにより、流体Ａから流体Ｂへの変化を検出することができる。
【００３１】
図３は、図１のセンサ２０の構成を模式的に示す斜視図である。図３に示されるように、センサ２０は、溝状のマイクロ流路３３が設けられた基板３１と、抵抗体４０，５０と、シート状部材３２とを含んで構成されている。基板３１は樹脂からなり、マイクロ流路３３は、数百μｍ〜数ｍｍの幅および数百μｍの深さを有する。
【００３２】
シート状部材３２は例えば樹脂からなり、抵抗体４０，５０はシート状部材３２上に形成されている。抵抗体４０，５０は白金またはサーミスタなどで形成されている。
【００３３】
図４は、図３の周辺図であり、図５は、図３の断面図である。図４〜５に示されるように、マイクロ流路３３には、流体駆動手段２１により、流体Ａ，Ｂが、所定の流速で制御されつつ流されており、マイクロ流路３３に流し込まれ混合されている。
【００３４】
図５において、抵抗体４０直下を流れる流体Ａが流体Ｂに変わった場合には、流体Ａと流体Ｂとで流速（および温度）は一定であるので、流体Ａと流体Ｂとの物性値（熱伝導率）の差のみに応じて、抵抗体４０の温度が変化するので、オペアンプｏｐから出力される電圧ＶＯが変化する。従って、図６に示されるように、オペアンプｏｐから出力される電圧ＶＯの変化を流体判別回路６０で検出することにより、流体の物性値の変化時点すなわち流体同士の境界を検出することが可能となる。
【００３５】
このように、本実施の形態に係る流体判別装置は、一の加熱検出手段としての抵抗体４０を用いて、各流体を加熱しつつ温度変化を検出する。従って、加熱手段としてのヒーターと検出手段としての温度センサとが離れて配置される特許文献１等に比べて、流体の種類の変化の検出にタイムラグが生じたり、流体同士の境界の状態や部品の精度により流体の種類の変化の検出精度が低下したりすることを防ぐことができるので、流体の種類の変化を適切に検出できる。
【００３６】
なお、上述においては、図６を用いて、各流体において電圧ＶＯが一定すなわち流速が一定である場合について説明した。しかし、これに限らず、各流体においては、物性値の変化に比較してごく小さい範囲内であれば、流速が変化してもよい。すなわち、図７〜８に示されるように、流速が変化しても、物性値の変化に比較してごく小さい範囲内であれば、電圧ＶＯの変化を検出する閾値を適切に設定することにより、流体同士の境界を適切に判別することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施の形態１に係る流体判別装置を備える遺伝子検査システムにおいて血液中の細胞からＤＮＡを抽出する前処理工程を示す模式図である。
【図２】実施の形態１に係る流体判別装置のセンサの動作原理を示す模式図である。
【図３】実施の形態１に係る流体判別装置のセンサの構成を模式的に示す斜視図である。
【図４】実施の形態１に係る流体判別装置のセンサの構成を模式的に示す斜視図である。
【図５】実施の形態１に係る流体判別装置のセンサの構成を模式的に示す断面図である。
【図６】実施の形態１に係る流体判別装置における電圧の変化を示すグラフである。
【図７】実施の形態１に係る流体判別装置における電圧の変化を示すグラフである。
【図８】実施の形態１に係る流体判別装置における電圧の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
１０  細胞溶解エリア
２０  センサ
２１  流体駆動手段
２２  スイッチ
３１  基板
３２  シート状部材
３３  マイクロ流路
４０  抵抗体
４１  半固定抵抗体
４２  固定抵抗体
５０  抵抗体
５１  半固定抵抗体
５２  固定抵抗体
６０  流体判別回路
Ａ，Ｂ，Ｃ  流体
Ｎ１〜N６  接点
ＶＯ  電圧
ａｍｐ  増幅手段
ｏｐ  オペアンプ
【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】
2009288009.tif 000009
【図８】
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