JP2009133719A - マイクロ検査チップ、マイクロ検査チップの液体定量方法および検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な動作で検体や試薬等を流路毎に個別に正確に定量しながら分割もでき、流路の配置の自由度も高く、検体や試薬等の無駄も少ないマイクロ検査チップ、マイクロ検査チップの液体定量方法および検査装置を提供すること。
【解決手段】液体注入口から液体を注入し、液体定量部全体と分岐流路の途中まで液体を充填した後に下流流路から吸引することで、簡単な動作で検体や試薬等を流路毎に個別に正確に定量しながら分割もでき、流路の配置の自由度も高く、検体や試薬等の無駄も少ないマイクロ検査チップ、マイクロ検査チップの液体定量方法および検査装置を提供することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、マイクロ検査チップ、マイクロ検査チップの液体定量方法および検査装置に関し、特に、遺伝子増幅反応、抗原抗体反応などによる生体物質の検査・分析、その他の化学物質の検査・分析、有機合成等による目的化合物の化学合成などに用いられるマイクロ検査チップ、マイクロ検査チップの液体定量方法および検査装置に関する。

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分析用チップ（以下、マイクロ検査チップと言う）が開発されている（例えば、特許文献１参照）。

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。特に、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に優れたマイクロ検査チップは、コスト、必要試料量、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ので、その恩恵は多大と言える。

上記のようなマイクロ検査チップでは、検査に用いられる検体や試薬を正確に定量することが重要である。検体や試薬を精度良く定量できないと、反応およびその検出結果に多大の影響が生ずる。

そこで、特許文献２には、第１の流路に導入された液体が、第１の流路と第２の流路とを繋ぐ第３の流路内に毛細管現象によって引き込まれ、第１の流路内の液体を取り除いた後に第３の流路内の液体を第２の流路に送液することで、第３の流路の容積に応じた体積の液滴を作成する液体の定量方法が開示されている。

また、特許文献３には、チップを回転させることで発生する遠心力を用いて、チップ内の液体を移動させ、流路の容積で液量を定量する方法が開示されている。
特開２００４−２８５８９号公報 特開２００２−３５７６１６号公報 特表２０００−５１４９２８号公報

しかしながら、特許文献２で提案された方法では、液体を定量するためだけに３本の流路が必要であり、マイクロ検査チップの構造が複雑となる。また、第１の流路の液体を取り除く工程と、第３の流路内の液体を第２の流路に送液する工程とを切り替える時に、送液ポンプの力を切り替えるか、第１の流路の末端を送液工程の途中で封止する等の工夫が必要であり、マイクロ検査チップの動作が複雑になる。さらに、第３の流路内に液体が貯留された後に第１の流路に残った液体を全て取り除く必要があり、検体や試薬の無駄が多い。

また、特許文献３で提案された方法では、全ての流路で同時に遠心力による送液が行われるために、流路毎に個別に定量することが出来ないという問題がある。さらに、回転中心から外側に向かう方向に流路を配置する必要があるため、流路の配置の自由度が小さいという問題もある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、簡単な動作で検体や試薬等を流路毎に個別に正確に定量しながら分割もでき、流路の配置の自由度も高く、検体や試薬等の無駄も少ないマイクロ検査チップ、マイクロ検査チップの液体定量方法および検査装置を提供することを目的としている。

本発明の目的は、下記構成により達成することができる。

１．液体を貯留する第１および第２の液体定量部と、
前記第１の液体定量部と前記第２の液体定量部とに連通され、前記第１の液体定量部と前記第２の液体定量部とに前記液体を注入する液体注入口と、
前記第１の液体定量部の下流に連通され、前記第１の液体定量部に貯留された前記液体を下流に送液する第１の下流流路と、
前記第２の液体定量部の下流に連通され、前記第２の液体定量部に貯留された前記液体を下流に送液する第２の下流流路とを備えたマイクロ検査チップにおいて、
一端に第１の大気開放穴を有し、他端が前記第１の液体定量部と前記第１の下流流路とが連通された部分に連通された第１の分岐流路と、
一端に第２の大気開放穴を有し、他端が前記第２の液体定量部と前記第２の下流流路とが連通された部分に連通された第２の分岐流路とを備えたことを特徴とするマイクロ検査チップ。

２．前記液体注入口と前記第１の液体定量部とを連通させる第１の注入流路と、
前記液体注入口と前記第２の液体定量部とを連通させる第２の注入流路と、
一端に第１の大気流入穴を有し、他端が前記第１の注入流路に連通された第１の大気流入路と、
一端に第２の大気流入穴を有し、他端が前記第２の注入流路に連通された第２の大気流入路とを備えたことを特徴とする１に記載のマイクロ検査チップ。

３．１に記載のマイクロ検査チップを用いたマイクロ検査チップの液体定量方法において、
前記第１および第２の大気開放穴を開放する開放工程と、
前記液体注入口から前記液体を注入して、前記第１および第２の液体定量部を満充填し、前記第１および第２の分岐流路の途中まで前記液体を注入する注入工程と、
前記第１および第２の大気開放穴を封止する封止工程と、
前記液体注入口を開放した状態で、前記第１および第２の下流流路から前記液体を吸引する吸引工程とを備えたことを特徴とするマイクロ検査チップの液体定量方法。

４．２に記載のマイクロ検査チップを用いたマイクロ検査チップの液体定量方法において、
前記第１および第２の大気開放穴を開放する第１の開放工程と、
前記第１および第２の大気流入穴を封止する第１の封止工程と、
前記液体注入口から前記液体を注入して、前記第１および第２の注入流路と、前記第１および第２の液体定量部とを満充填し、前記第１および第２の分岐流路の途中まで前記液体を注入する注入工程と、
前記第１および第２の大気開放穴を封止する第２の封止工程と、
前記第１および第２の大気流入穴を開放する第２の開放工程と、
前記第１および第２の下流流路から前記液体を吸引する吸引工程とを備えたことを特徴とするマイクロ検査チップの液体定量方法。

５．３または４に記載のマイクロ検査チップの液体定量方法を用いて液体を定量することを特徴とする検査装置。

本発明によれば、液体注入口から液体を注入し、液体定量部全体と分岐流路の途中まで液体を充填した後に下流流路から吸引することで、簡単な動作で検体や試薬等を流路毎に個別に正確に定量しながら分割もでき、流路の配置の自由度も高く、検体や試薬等の無駄も少ないマイクロ検査チップ、マイクロ検査チップの液体定量方法および検査装置を提供することができる。

以下、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れない。なお、図中、同一あるいは同等の部分には同一の番号を付与し、重複する説明は省略する。

まず、本発明における検査装置について、図１を用いて説明する。図１は、本発明における検査装置の１例を示す模式図である。

図１において、検査装置１は、マイクロ検査チップ１００、マイクロポンプユニット２１０、加熱冷却ユニット２３０、検出部２５０および駆動制御部２７０等で構成される。マイクロポンプユニット２１０は、後述する送液ポンプＳＰａおよびＳＰｂとして機能する。

マイクロ検査チップ１００は、一般に分析チップ、マイクロリアクタチップなどとも称されるものと同等であり、例えば、樹脂、ガラス、シリコン、セラミックスなどを材料とし、その上に、微細加工技術により、幅および高さが数μｍ〜数百μｍのレベルの微細な流路を形成したものである。マイクロ検査チップ１００のサイズおよび形状は、通常、縦横が数十ｍｍ、厚さが数ｍｍ程度の板状である。

ここでは、マイクロ検査チップ１００は、例えばポリプロピレン等の撥水性の樹脂材料で形成されており、試薬や検体等の液体を流すための溝状の流路が表面に形成された流路基板１０１と、流路基板１０１の流路が形成された面に接着され、流路基板１０１の溝状の流路の蓋として機能する天板１０３とで構成されているとする。また、天板１０３には、マイクロポンプユニット２１０とマイクロ検査チップ１００との接続口等が設けられる。

マイクロポンプユニット２１０は、マイクロ検査チップ１００内の送液を行うためのポンプユニットで、マイクロポンプ２１１、チップ接続部２１３、駆動液タンク２１５および駆動液供給部２１７等で構成される。マイクロポンプユニット２１０は、１つあるいは複数のマイクロポンプ２１１を備えている。マイクロポンプ２１１は、マイクロ検査チップ１００内に駆動液２１６を注入あるいは吸引することで、マイクロ検査チップ１００内の送液を行う。マイクロポンプについては図１０で詳述する。チップ接続部２１３は、マイクロポンプ２１１とマイクロ検査チップ１００とを接続する。

駆動液供給部２１７は、駆動液タンク２１５からマイクロポンプ２１１に駆動液２１６を供給する。駆動液タンク２１５は、駆動液２１６の補充のために駆動液供給部２１７から取り外して交換可能である。マイクロポンプ２１１上には１個または複数個のポンプが形成されており、複数個の場合は、各々独立にあるいは連動して駆動可能である。

マイクロ検査チップ１００とマイクロポンプ２１１とはチップ接続部２１３で接続されて連通され、マイクロポンプ２１１が駆動されてマイクロポンプ２１１からチップ接続部２１３を介してマイクロ検査チップ１００に注入あるいは吸引される駆動液２１６によって、マイクロ検査チップ１００内の複数の収容部に収容されている各種試薬や検体が、マイクロ検査チップ１００内で送液される。

加熱冷却ユニット２３０は、冷却部２３１および加熱部２３３等で構成され、マイクロ検査チップ１００内の反応の促進および抑制のために、検体、試薬およびその混合液等の加熱および冷却を行う。冷却部２３１はペルチエ素子等で構成される。加熱部２３３は、ヒータ等で構成される。もちろん、加熱部２３３もペルチエ素子で構成してもよい。

検出部２５０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザ等の光源２５１と、フォトダイオード（ＰＤ）等の受光素子２５３等で構成され、マイクロ検査チップ１００内の反応によって得られる生成液に含まれる標的物質を、マイクロ検査チップ１００上の検出領域２５５の位置で光学的に検出する。

駆動制御部２７０は、図示しないマイクロコンピュータやメモリ等で構成され、検査装置１内の各部の駆動、制御、検出等を行う。

次に、本発明におけるマイクロ検査チップの第１の実施の形態について、図２を用いて説明する。図２は、本発明におけるマイクロ検査チップ１００の第１の実施の形態の構成を示す模式図である。

図２において、マイクロ検査チップ１００の流路基板１０１の表面には、液体注入口１１３、第１の流路１１１ａおよび第２の流路１１１ｂが形成されている。図２に示したように、第１の流路１１１ａと第２の流路１１１ｂとは、液体注入口１１３に対して左右対称に形成されている。

第１の流路１１１ａは、第１の注入流路１２１ａ、第１の液体定量部１２３ａ、第１の撥水バルブ１２５ａ、第１の下流流路１２７ａ、第１の枝管１３１ａ、第１の分岐流路１３３ａおよび第１の大気開放穴１３５ａ等で構成されている。

第２の流路１１１ｂの構成も同様で、上述した第１の流路１１１ａの構成の「第１」を「第２」に、サフィックス「ａ」を「ｂ」に読み替えればよい。

第１の大気開放穴１３５ａおよび第２の大気開放穴１３５ｂは、必要に応じて、例えば粘着テープ等の封止部材１４１で封止される。

第１の下流流路１２７ａの上流端近傍には、第１の検出エリア２６１ａが設けられ、送液時に、検査装置１内に設けられた図示しない液体検出部によって、この位置での液体の有無が検出される。第２の下流流路１２７ｂについても同様に、第２の検出エリア２６１ｂが設けられ、この位置での液体の有無が検出される。上述した液体検出部は、例えば光透過型や光反射型等の一般的なセンサを用いることでよい。この場合、第１の検出エリア２６１ａおよび第２の検出エリア２６１ｂは、使用される光を透過させる必要がある。

第１の注入流路１２１ａと第２の注入流路１２１ｂとは、一端が液体注入口１１３の下で連通されており、後述するように、液体注入口１１３から注入される液体を分割して下流に送液する。第１の注入流路１２１ａの下流端は第１の液体定量部１２３ａの上流端に連通され、第２の注入流路１２１ｂの下流端は第２の液体定量部１２３ｂの上流端に連通されている。

なお、第１の注入流路１２１ａおよび第２の注入流路１２１ｂを用いずに、第１の液体定量部１２３ａと第２の液体定量部１２３ｂとが液体注入口１１３の下で直接連通されていてもよい。

第１の液体定量部１２３ａおよび第２の液体定量部１２３ｂは、同一の所定の容積を有しており、後述する液体の定量に寄与する。

第１の液体定量部１２３ａの下流端は、第１の撥水バルブ１２５ａを介して第１の下流流路１２７ａの上流端に連通されている。また、第１の液体定量部１２３ａの下流端は、第１の撥水バルブ１２５ａとの接続点で第１の枝管１３１ａを介して第１の分岐流路１３３ａの上流端にも連通されている。第１の分岐流路１３３ａの下流端には、第１の大気開放穴１３５ａが設けられている。なお、液体注入前には、各流路は空気１５３で満たされているとする。

マイクロ検査チップ１００が検査装置１に挿入されると、第１の下流流路１２７ａは、その下流側で、上述したマイクロポンプ２１１等で構成される第１の送液ポンプＳＰａに接続される。

第２の液体定量部１２３ｂの構成も同様で、上述した第１の流路１１１ａの構成の「第１」を「第２」に、サフィックス「ａ」を「ｂ」に読み替えればよい。

続いて、第１の実施の形態における液体定量方法を、図３乃至図５を用いて説明する。図３は、第１の実施の形態における液体定量方法を示すフローチャートであり、図４は後述する注入工程での流路の状態を、図５は後述する吸引工程での流路の状態を示す模式図である。

図３において、ステップＳ１０１で、第１の大気開放穴１３５ａおよび第２の大気開放穴１３５ｂが開放される（開放工程）。ステップＳ１１１で、ピペット等を用いて、試薬や検体等の液体１５１が液体注入口１１３から注入される。注入された液体１５１は分割されて、第１の注入流路１２１ａおよび第２の注入流路１２１ｂを介して第１の液体定量部１２３ａおよび第２の液体定量部１２３ｂに注入される。

液体１５１は、第１の注入流路１２１ａと第１の液体定量部１２３ａ、および第２の注入流路１２１ｂと第２の液体定量部１２３ｂに満充填され、第１の分岐流路１３３ａおよび第２の分岐流路１３３ｂに流入するまで注入される（注入工程）。液体１５１が第１の分岐流路１３３ａおよび第２の分岐流路１３３ｂに流入したか否かは、例えば目視にて確認される。

図４に、注入工程が完了した状態を示す。液体１５１が第１の注入流路１２１ａと第１の液体定量部１２３ａとに満充填されて、第１の撥水バルブ１２５ａと第１の枝管１３１ａとの接続点まで達すると、第１の撥水バルブ１２５ａによって規制されるために、液体１５１は第１の撥水バルブ１２５ａを越えて下流に流出することができない。撥水バルブについては図１１で詳述する。

一方、第１の分岐流路１３３ａ側は、第１の大気開放穴１３５ａによって外部に開放されているので、液体１５１は、第１の枝管１３１ａを介して第１の分岐流路１３３ａに流入する。第２の流路１１１ｂ側についても同様である。

第１の分岐流路１３３ａに流入する液体１５１の量と、第２の分岐流路１３３ｂに流入する液体１５１の量とには、各流路の寸法精度や流路の内壁の表面状態等により誤差が生じるので、第１の分岐流路１３３ａおよび第２の分岐流路１３３ｂの容積には、流入する液体１５１の誤差分の余裕を持たせるのがよい。

図３に戻って、ステップＳ１２１で、第１の大気開放穴１３５ａおよび第２の大気開放穴１３５ｂが、封止部材１４１で封止される（封止工程）。ここまでが、マイクロ検査チップ１００単体で行われるステップである。

次に、ステップＳ１３１で、マイクロ検査チップ１００が検査装置１に挿入され、第１の下流流路１２７ａが第１の送液ポンプＳＰａに、第２の下流流路１２７ｂが第２の送液ポンプＳＰｂに接続される。また、第１の検出エリア２６１ａおよび第２の検出エリア２６１ｂが、検査装置１内に設けられた図示しない液体検出部の検出位置にセットされる。

ステップＳ１４１で、液体注入口１１３が外部に開放された状態で、第１の下流流路１２７ａに接続された第１の送液ポンプＳＰａが駆動されて、第１の液体定量部１２３ａ内の液体１５１が吸引されて、第１の下流流路１２７ａに送液される。ステップＳ１４３で、第１の液体定量部１２３ａ内の液体１５１の送液が完了したか否かが確認される。送液完了の確認は、例えば第１の検出エリア２６１ａでの液体１５１の有無によって行われればよい。

送液が完了していない場合（ステップＳ１４３；Ｎｏ）、送液完了までステップＳ１４１とＳ１４３とが繰り返される。送液が完了した場合（ステップＳ１４３；Ｙｅｓ）、ステップＳ１４５で、第１の送液ポンプＳＰａが停止されて液体１５１の吸引が停止され（吸引工程）、一連の動作が終了される。第２の流路１１１ｂ側についても同様である。

図５に吸引工程が完了した状態を示す。第１の送液ポンプＳＰａが駆動されると、図４に示した第１の撥水バルブ１２５ａと第１の下流流路１２７ａ内の空気１５３が下流側に吸引される。この時、第１の大気開放穴１３５ａはステップＳ１２１で封止されているので、第１の分岐流路１３３ａ内の空気１５３に起因する負圧によって、第１の枝管１３１ａおよび第１の分岐流路１３３ａ内の液体１５１は、第１の撥水バルブ１２５ａ側には流出しない。

一方、第１の液体定量部１２３ａ内の液体１５１は、液体注入口１１３が外部に開放されているために液体注入口１１３から空気１５３が流入するので、第１の撥水バルブ１２５ａを介して第１の下流流路１２７ａに流出する。第１の下流流路１２７ａに流出する液体１５１の容積は、第１の注入流路１２１ａの容積と第１の液体定量部１２３ａの容積との和に等しく、正確に定量された液体１５１を送液することができる。第２の流路１１１ｂ側についても同様である。

上述したように、本第１の実施の形態によれば、第１の枝管１３１ａと第１の分岐流路１３３ａおよび第２の枝管１３１ｂと第２の分岐流路１３３ｂの容積の範囲内で、液体１５１を第１の液体定量部１２３ａおよび第２の液体定量部１２３ｂの容積を超えてラフに注入しても、送液される液体１５１を簡単に２分割でき、しかもその容積を正確に定量できるので、液体１５１の注入工程を簡略化することができる。

次に、本発明におけるマイクロ検査チップの第２の実施の形態について、図６を用いて説明する。図６は、本発明におけるマイクロ検査チップ１００の第２の実施の形態の構成を示す模式図である。

第１の実施の形態では、第１の注入流路１２１ａと第２の注入流路１２１ｂとは、一端が液体注入口１１３の下で直接連通されていたが、本第２の実施の形態においては、第１の注入流路１２１ａと第２の注入流路１２１ｂとは、液体注入口１１３から注入された液体が貯留される液体貯留部１４３を介して連通されている。

さらに、第１の注入流路１２１ａには、一端に第１の大気流入穴１４７ａが設けられた第１の大気流入路１４５ａが連通され、第２の注入流路１２１ｂには、一端に第２の大気流入穴１４７ｂが設けられた第２の大気流入路１４５ｂが連通されている。

第１の大気流入穴１４７ａ、第２の大気流入穴１４７ｂは、必要に応じて、例えば粘着テープ等の封止部材１４１で封止される。また、液体注入口１１３も必要に応じて、例えば粘着テープ等の注入口封止部材１４９で封止される。なお、液体注入前には、各流路は空気１５３で満たされているとする。本第２の実施の形態のその他の構成は、第１の実施の形態と同じである。

続いて、本発明の第２の実施の形態における液体定量方法を、図７乃至図９を用いて説明する。図７は、第２の実施の形態における液体定量方法を示すフローチャートであり、図８は後述する注入工程での流路の状態を、図９は後述する吸引工程での流路の状態を示す模式図である。

図７において、ステップＳ１０１で、第１の大気開放穴１３５ａおよび第２の大気開放穴１３５ｂが開放され（第１の開放工程）、ステップＳ１０３で、第１の大気流入穴１４７ａおよび第２の大気流入穴１４７ｂが封止される（第１の封止工程）。ステップＳ１１１で、ピペット等を用いて、試薬や検体等の液体１５１が液体注入口１１３から液体貯留部１４３に注入される。液体貯留部１４３に注入された液体１５１は、第１の注入流路１２１ａおよび第２の注入流路１２１ｂを介して第１の液体定量部１２３ａおよび第２の液体定量部１２３ｂに注入される。

液体１５１は、第１の注入流路１２１ａと第１の液体定量部１２３ａ、および第２の注入流路１２１ｂと第２の液体定量部１２３ｂに満充填され、第１の分岐流路１３３ａおよび第２の分岐流路１３３ｂに流入するまで注入される（注入工程）。液体１５１が第１の分岐流路１３３ａおよび第２の分岐流路１３３ｂに流入したか否かは、例えば目視にて確認される。

図８に、注入工程が完了した状態を示す。液体１５１が第１の注入流路１２１ａと第１の液体定量部１２３ａとに満充填されて、第１の撥水バルブ１２５ａと第１の枝管１３１ａとの接続点まで達すると、第１の撥水バルブ１２５ａによって規制されるために、液体１５１は第１の撥水バルブ１２５ａには流入することができない。撥水バルブについては図１１で詳述する。

また、ステップＳ１０３で第１の大気流入穴１４７ａが封止されているので、第１の大気流入穴１４７ａと第１の大気流入路１４５ａとに貯留されている空気の圧力によって、液体１５１は第１の大気流入路１４５ａには流れ込むことができない。

一方、第１の分岐流路１３３ａ側は、第１の大気開放穴１３５ａによって外部に開放されているので、液体１５１は、第１の枝管１３１ａを介して第１の分岐流路１３３ａに流入する。第２の流路１１１ｂ側についても同様である。

第１の分岐流路１３３ａに流入する液体１５１の量と、第２の分岐流路１３３ｂに流入する液体１５１の量とには、各流路の寸法精度等により誤差が生じるので、第１の分岐流路１３３ａおよび第２の分岐流路１３３ｂの容積には、流入する液体１５１の誤差分の余裕を持たせるのがよい。

図７に戻って、ステップＳ１２１で、第１の大気開放穴１３５ａおよび第２の大気開放穴１３５ｂが、封止部材１４１で封止され、ステップＳ１２３で、液体注入口１１３が注入口封止部材１４９で封止される。ステップＳ１２１およびステップＳ１２３は本発明における第２の封止工程として機能する。ステップＳ１２５で、第１の大気流入穴１４７ａおよび第２の大気流入穴１４７ｂが開放される（第２の開放工程）。ここまでが、マイクロ検査チップ１００単体で行われるステップである。

次に、ステップＳ１３１で、マイクロ検査チップ１００が検査装置１に挿入され、第１の下流流路１２７ａが第１の送液ポンプＳＰａに、第２の下流流路１２７ｂが第２の送液ポンプＳＰｂに接続される。また、第１の検出エリア２６１ａおよび第２の検出エリア２６１ｂが、検査装置１内に設けられた図示しない液体検出部の検出位置にセットされる。

ステップＳ１４１で、第１の下流流路１２７ａに接続された第１の送液ポンプＳＰａが駆動されて、第１の液体定量部１２３ａ内の液体１５１が吸引されて、第１の下流流路１２７ａに送液される。ステップＳ１４３で、第１の液体定量部１２３ａ内の液体１５１の送液が完了したか否かが確認される。送液完了の確認は、例えば第１の検出エリア２６１ａでの液体１５１の有無によって行われればよい。

送液が完了していない場合（ステップＳ１４３；Ｎｏ）、送液完了までステップＳ１４１とＳ１４３とが繰り返される。送液が完了した場合（ステップＳ１４３；Ｙｅｓ）、ステップＳ１４５で、第１の送液ポンプＳＰａが停止されて液体１５１の吸引が停止され（吸引工程）、一連の動作が終了される。第２の流路１１１ｂ側についても同様である。

図９に吸引工程が完了した状態を示す。第１の送液ポンプＳＰａが駆動されると、図８に示した第１の撥水バルブ１２５ａと第１の下流流路１２７ａ内の空気１５３が下流側に吸引される。この時、第１の大気開放穴１３５ａはステップＳ１２１で封止されているので、第１の分岐流路１３３ａ内の空気１５３に起因する負圧によって、第１の枝管１３１ａおよび第１の分岐流路１３３ａ内の液体１５１は、第１の撥水バルブ１２５ａ側には流出しない。

一方、第１の液体定量部１２３ａ内の液体１５１は、ステップＳ１２５で第１の大気流入穴１４７ａが外部に開放されているために、第１の大気流入穴１４７ａから空気１５３が流入するので、移動しやすくなり、第１の撥水バルブ１２５ａを介して第１の下流流路１２７ａに流出する。第１の下流流路１２７ａに流出する液体１５１の容積は、第１の注入流路１２１ａの容積と第１の液体定量部１２３ａの容積との和に等しく、正確に定量された液体１５１を送液することができる。

また、ステップＳ１２３で液体注入口１１３が封止されているので、液体注入口１１３および液体貯留部１４３に貯留された液体１５１は下流には送液されない。第２の流路１１１ｂ側についても同様である。

なお、上述したステップＳ１２３の液体注入口１１３の封止は必須ではない。この場合、液体注入口１１３および液体貯留部１４３に貯留された液体１５１は分割されて、第１の液体定量部１２３ａおよび第２の液体定量部１２３ｂに貯留された液体１５１とともに、下流に送液される。

上述したように、本第２の実施の形態によれば、第１の枝管１３１ａと第１の分岐流路１３３ａおよび第２の枝管１３１ｂと第２の分岐流路１３３ｂの容積の範囲内で、液体１５１を第１の液体定量部１２３ａおよび第２の液体定量部１２３ｂの容積を超えてラフに注入しても、送液される液体１５１を簡単に２分割でき、しかもその容積を正確に定量できるので、液体１５１の注入工程を簡略化することができる。

上述した第１および第２の実施の形態においては、第１の液体定量部１２３ａと第２の液体定量部１２３ｂとは、同一の所定の容積を有しているとして説明したが、これは必須ではなく、第１の液体定量部１２３ａと第２の液体定量部１２３ｂとは、異なる所定の容積を有していてもよい。この場合、上述した第１の流路１１１ａと第２の流路１１１ｂとの液体注入口１１３に対する左右対称性も必須ではない。また、液体定量部は２つである必要もなく、３個以上の複数であってもよい。

次に、上述した実施の形態に用いられるマイクロポンプ２１１の１例について、図１０を用いて説明する。マイクロポンプ２１１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、圧電素子を駆動源とするピエゾポンプを用いることが好適である。図１０は、マイクロポンプ２１１の構成の１例を示す模式図で、図１０（ａ）はピエゾポンプの１例を示した断面図、図１０（ｂ）はその上面図、図１０（ｃ）はピエゾポンプの他の例を示した断面図である。

図１０（ａ）および（ｂ）において、マイクロポンプ２１１は、第１液室４０８、第１流路４０６、加圧室４０５、第２流路４０７および第２液室４０９が形成された基板４０２、基板４０２上に積層された上側基板４０１、上側基板４０１上に積層された振動板４０３、振動板４０３の加圧室４０５と対向する側に積層された圧電素子４０４と、圧電素子４０４を駆動するための図示しない駆動部とが設けられている。

駆動部と圧電素子４０４の両面上の２つの電極とは、フレキシブルケーブル等による配線で接続されており、該配線を通じて駆動部の駆動回路により圧電素子４０４に駆動電圧を印加する構成となっている。第１液室４０８、第１流路４０６、加圧室４０５、第２流路４０７および第２液室４０９は、駆動液２１６で満たされる。

１例として、基板４０２として、厚さ５００μｍの感光性ガラス基板を用い、深さ１００μｍに達するまでエッチングを行なうことにより、第１液室４０８、第１流路４０６、加圧室４０５、第２流路４０７および第２液室４０９を形成している。第１流路４０６は幅を２５μｍ、長さを２０μｍとしている。また、第２流路４０７は幅を２５μｍ、長さを１５０μｍとしている。

ガラス基板である上側基板４０１を基板４０２上に積層することにより、第１液室４０８、第１流路４０６、第２液室４０９および第２流路４０７の上面が形成される。上側基板４０１の加圧室４０５の上面に当たる部分は、エッチングなどにより加工されて貫通している。

上側基板４０１の上面には、厚さ５０μｍの薄板ガラスからなる振動板４０３が積層され、その上に、例えば厚さ５０μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックス等からなる圧電素子４０４が積層され貼付されている。駆動部からの駆動電圧により、圧電素子４０４とこれに貼付された振動板４０３が振動し、これにより加圧室４０５の体積が増減する。

第１流路４０６と第２流路４０７とは、幅および深さが同じで、長さが第１流路４０６よりも第２流路４０７の方が長くなっており、第１流路４０６では、差圧が大きくなると流路の出入り口およびその周辺で乱流が発生し、流路抵抗が増加する。一方、第２流路４０７では流路の長さ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４０６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。すなわち、差圧の大小によって第１流路４０６と第２流路４０７との液体の流れ易さの関係が変化する。これを利用して、圧電素子４０４に対する駆動電圧波形を制御して送液を行っている。

例えば、圧電素子４０４に対する駆動電圧により、加圧室４０５の内方向へ素早く振動板４０３を変位させて、大きい差圧を与えながら加圧室４０５の体積を減少させ、次いで加圧室４０５から外方向へゆっくり振動板４０３を変位させて、小さい差圧を与えながら加圧室４０５の体積を増加させると、流体は加圧室４０５から第２液室４０９の方向（図１０（ａ）のＢ方向）へ送液される。

逆に、加圧室４０５の外方向へ素早く振動板４０３を変位させて、大きい差圧を与えながら加圧室４０５の体積を増加させ、次いで加圧室４０５から内方向へゆっくり振動板４０３を変位させて、小さい差圧を与えながら加圧室４０５の体積を減少させると、流体は加圧室４０５から第１液室４０８の方向（図１０（ａ）のＡ方向）へ送液される。

なお、第１流路４０６と第２流路４０７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。

上記のように構成されたマイクロポンプ２１１によれば、ポンプの駆動電圧および周波数を変えることによって、所望する流体の送液方向、送液速度を制御できるようになっている。図１０（ａ）（ｂ）には図示されていないが、第１液室４０８には図１に示した駆動液タンク２１５につながるポートが設けられており、第１液室４０８は「リザーバ」の役割を演じ、ポートで駆動液タンク２１５から駆動液２１６の供給を受けている。第２液室４０９は図１に示したマイクロポンプユニット２１０の流路を形成し、その先に図１に示したチップ接続部２１３があり、図１に示したマイクロ検査チップ１００と繋がる。

図１０（ｃ）において、マイクロポンプ２１１は、シリコン基板４７１、圧電素子４０４、基板４７４および図示しないフレキシブル配線で構成される。シリコン基板４７１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り、エッチングにより加圧室４０５、ダイヤフラム４０３、第１流路４０６、第１液室４０８、第２流路４０７、および第２液室４０９が形成されている。加圧室４０５、第１流路４０６、第１液室４０８、第２流路４０７、および第２液室４０９は、駆動液２１６で満たされる。

基板４７４には、第１液室４０８の上部にポート４７２が、第２液室４０９の上部にポート４７３がそれぞれ設けられており、例えばこのマイクロポンプ２１１をマイクロ検査チップ１００と別体とする場合には、ポート４７３を介してマイクロ検査チップ１００のポンプ接続部と連通させることができる。例えば、ポート４７２、４７３が穿孔された基板４７４と、マイクロ検査チップ１００のポンプ接続部近傍とを上下に重ね合わせることによって、マイクロポンプ２１１をマイクロ検査チップ１００に接続することができる。

また、上述したように、マイクロポンプ２１１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ため、１枚のシリコン基板上に複数のマイクロポンプ２１１を形成することも可能である。この場合、マイクロ検査チップ１００と接続するポート４７３の反対側のポート４７２には、駆動液タンク２１５が接続されていることが望ましい。マイクロポンプ２１１が複数個ある場合、それらのポート４７２は、共通の駆動液タンク２１５に接続されていてもよい。

上述したマイクロポンプ２１１は、小型で、マイクロポンプ２１１からマイクロ検査チップ１００までの配管等によるデッドボリュームが小さく、圧力変動が少ないうえに瞬時に正確な吐出圧力制御が可能なことから、駆動制御部２７０での正確な送液制御が可能である。

図１０に示したマイクロポンプ２１１を本第１および第２の実施の形態の送液ポンプとして使用する場合、空気を吸引することでマイクロポンプ２１１の内部の駆動液２１６が空にならないように、少なくとも第２液室４０９内を吸引する空気に相当する量の駆動液２１６で満たしておく必要がある。

また、本第１および第２の実施の形態の送液ポンプとしては、上述したマイクロポンプ２１１以外に、直接空気を吸引できるポンプを用いてもよい。その例を挙げると、
１）上述したマイクロポンプ２１１を空気を駆動できるように設計したもの、
２）弁を開閉しながら空気を送るポンプ、
３）シリンダ内のシリンジを前後動させて空気を送るポンプ、
４）ロータリー型のポンプ、
等が考えられる。

本発明におけるマイクロ検査チップ１００の第１および第２の実施の形態では、第１の液体定量部１２３ａと第１の下流流路１２７ａとの間、および第２の液体定量部１２３ｂと第２の下流流路１２７ｂとの間に、撥水バルブ１２５ａおよび１２５ｂを設けている。ここで、撥水バルブの一般的な構造と動作について、図１１を用いて説明する。図１１は、撥水バルブの一般的な構造と動作について説明するための模式図で、図１１（ａ）は液体の送液が撥水バルブで遮断されている状態を、図１１（ｂ）は撥水バルブを越えて送液されている状態を示す。

図１１（ａ）において、撥水バルブ５０１は、細径の送液制御通路５１１で構成されている。送液制御通路５１１とは、その断面積Ｓ１（送液方向に対して垂直な断面の断面積）が、上流側流路５２１の断面積Ｓ２および下流側流路５２３の断面積Ｓ３よりも小さい細流路である。

流路壁５３１がプラスチック樹脂などの撥水性の材質で形成されている場合には、上流側流路５２１内に充填された液体５４１は、弱い送液圧力Ｐ１（例えば３ｋＰａ程度）で送液制御通路５１１内に流入し、送液制御通路５１１と下流側流路５２３との境界部の流路壁５３１との表面張力の差によって、下流側流路５２３へ通過することが規制される。

ただし、本発明のように、上流側流路５２１に送液制御通路５１１よりも液体５４１が流れやすい流路が連通されている場合には、液体５４１は送液制御通路５１１内には流入せず、送液制御通路５１１の直前あるいは上流側流路５２１の途中で停止する。

図１１（ｂ）において、下流側流路５２３へ液体５４１を流出させる際には、マイクロポンプ（図示せず）によって所定圧力以上の送液圧力Ｐ２（例えば１０ｋＰａ程度）を加え、これによって表面張力に抗して液体５４１を送液制御通路５１１から下流側流路５２３へ押し出す。液体５４１が下流側流路５２３へ流出した後は、液体５４１の先端部を下流側流路５２３へ押し出すのに要した送液圧力Ｐを維持せずとも、液体５４１が下流側流路５２３へ流れていく。

すなわち、上流側流路５２１から下流側流路５２３への正方向への送液圧力が、所定圧力Ｐ２に達するまでは送液制御通路５１１から先への液体５４１の通過が遮断され、所定圧力Ｐ２以上の送液圧力が加わることにより、液体５４１は送液制御通路５１１を通過する。

上述したように、上流側流路５２１および下流側流路５２３と送液制御通路５１１のサイズとは、上流側流路５２１および下流側流路５２３への液体５４１の通過を規制できれば特に限定されないが、一例として、縦横が１５０μｍ×３００μｍの上流側流路５２１および下流側流路５２３に対して、縦横が２５μｍ×２５μｍ程度となるように送液制御通路５１１が形成される。

また、液体５４１が送液制御通路５１１を通過するのを規制するための送液圧力差（Ｐ２−Ｐ１）を大きくするために、下流側流路５２３の送液制御通路５１１と接する部分の流路壁５３１の壁面５３１ａは、図１１に示したように、送液制御通路５１１に対して直角に立ち上がっていることが望ましい。

以上に述べたように、本発明に依れば、液体注入口から液体を注入し、液体定量部全体と分岐流路の途中まで液体を充填した後に下流流路から吸引することで、簡単な動作で検体や試薬等を流路毎に個別に正確に定量しながら分割もでき、流路の配置の自由度も高く、検体や試薬等の無駄も少ないマイクロ検査チップ、マイクロ検査チップの液体定量方法および検査装置を提供することができる。

尚、本発明に係るマイクロ検査チップ、マイクロ検査チップの液体定量方法および検査装置を構成する各構成の細部構成および細部動作に関しては、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。

本発明における検査装置の１例を示す模式図である。 本発明におけるマイクロ検査チップの第１の実施の形態の構成を示す模式図である。 第１の実施の形態における液体定量方法を示すフローチャートである。 第１の実施の形態における注入工程での流路の状態を示す模式図である。 第１の実施の形態における吸引工程での流路の状態を示す模式図である。 本発明におけるマイクロ検査チップの第２の実施の形態の構成を示す模式図である。 第２の実施の形態における液体定量方法を示すフローチャートである。 第２の実施の形態における注入工程での流路の状態を示す模式図である。 第２の実施の形態における吸引工程での流路の状態を示す模式図である。 マイクロポンプの構成の１例を示す模式図である。 撥水バルブの一般的な構造と動作について説明するための模式図である。

符号の説明

１ 検査装置
１００ マイクロ検査チップ
１０１ 流路基板
１０３ 天板
１０５ 下流流路
１１１ａ 第１の流路
１１１ｂ 第２の流路
１１３ 液体注入口
１２１ａ 第１の注入流路
１２１ｂ 第２の注入流路
１２３ａ 第１の液体定量部
１２３ｂ 第２の液体定量部
１２５ａ 第１の撥水バルブ
１２５ｂ 第２の撥水バルブ
１２７ａ 第１の下流流路
１２７ｂ 第２の下流流路
１３１ａ 第１の枝管
１３１ｂ 第２の枝管
１３３ａ 第１の分岐流路
１３３ｂ 第２の分岐流路
１３５ａ 第１の大気開放穴
１３５ｂ 第２の大気開放穴
１４１ 封止部材
１４３ 液体貯留部
１４５ａ 第１の大気流入路
１４５ｂ 第２の大気流入路
１４７ａ 第１の大気流入穴
１４７ｂ 第２の大気流入穴
１４９ 注入口封止部材
１５１ 液体
１５３ 空気
２１０ マイクロポンプユニット
２１１ マイクロポンプ
２１３ チップ接続部
２１５ 駆動液タンク
２１６ 駆動液
２１７ 駆動液供給部
２３０ 加熱冷却ユニット
２３１ 冷却部
２３３ 加熱部
２５０ 検出部
２５１ 光源
２５３ 受光素子
２５５ 検出領域
２６１ａ 第１の検出エリア
２６１ｂ 第２の検出エリア
２７０ 駆動制御部

Claims (5)

1. 液体を貯留する第１および第２の液体定量部と、
   前記第１の液体定量部と前記第２の液体定量部とに連通され、前記第１の液体定量部と前記第２の液体定量部とに前記液体を注入する液体注入口と、
   前記第１の液体定量部の下流に連通され、前記第１の液体定量部に貯留された前記液体を下流に送液する第１の下流流路と、
   前記第２の液体定量部の下流に連通され、前記第２の液体定量部に貯留された前記液体を下流に送液する第２の下流流路とを備えたマイクロ検査チップにおいて、
   一端に第１の大気開放穴を有し、他端が前記第１の液体定量部と前記第１の下流流路とが連通された部分に連通された第１の分岐流路と、
   一端に第２の大気開放穴を有し、他端が前記第２の液体定量部と前記第２の下流流路とが連通された部分に連通された第２の分岐流路とを備えたことを特徴とするマイクロ検査チップ。
2. 前記液体注入口と前記第１の液体定量部とを連通させる第１の注入流路と、
   前記液体注入口と前記第２の液体定量部とを連通させる第２の注入流路と、
   一端に第１の大気流入穴を有し、他端が前記第１の注入流路に連通された第１の大気流入路と、
   一端に第２の大気流入穴を有し、他端が前記第２の注入流路に連通された第２の大気流入路とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ検査チップ。
3. 請求項１に記載のマイクロ検査チップを用いたマイクロ検査チップの液体定量方法において、
   前記第１および第２の大気開放穴を開放する開放工程と、
   前記液体注入口から前記液体を注入して、前記第１および第２の液体定量部を満充填し、前記第１および第２の分岐流路の途中まで前記液体を注入する注入工程と、
   前記第１および第２の大気開放穴を封止する封止工程と、
   前記液体注入口を開放した状態で、前記第１および第２の下流流路から前記液体を吸引する吸引工程とを備えたことを特徴とするマイクロ検査チップの液体定量方法。
4. 請求項２に記載のマイクロ検査チップを用いたマイクロ検査チップの液体定量方法において、
   前記第１および第２の大気開放穴を開放する第１の開放工程と、
   前記第１および第２の大気流入穴を封止する第１の封止工程と、
   前記液体注入口から前記液体を注入して、前記第１および第２の注入流路と、前記第１および第２の液体定量部とを満充填し、前記第１および第２の分岐流路の途中まで前記液体を注入する注入工程と、
   前記第１および第２の大気開放穴を封止する第２の封止工程と、
   前記第１および第２の大気流入穴を開放する第２の開放工程と、
   前記第１および第２の下流流路から前記液体を吸引する吸引工程とを備えたことを特徴とするマイクロ検査チップの液体定量方法。
5. 請求項３または４に記載のマイクロ検査チップの液体定量方法を用いて液体を定量することを特徴とする検査装置。

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