マイクロ検査チップおよび検査装置
【課題】試薬の漏れ液によって空気抜き用高抵抗流路が塞がれて流路の空気抜きができなくなることを防止し、駆動液と試薬との間に気泡が介在せず、試薬の安定した送液が行えるマイクロ検査チップおよび検査装置を提供すること。
【解決手段】試薬貯留部に貯留されている試薬の上流側界面が上流側撥水バルブに接し、下流側界面が試薬貯留部の内部の空気に接するようにすることで、試薬が上流側に漏れることがないので、試薬の漏れ液によって空気抜き用高抵抗流路が塞がれて流路の空気抜きができなくなることを防止し、駆動液と試薬との間に気泡が介在せず、試薬の安定した送液が行えるマイクロ検査チップおよび検査装置を提供することができる。
【解決手段】試薬貯留部に貯留されている試薬の上流側界面が上流側撥水バルブに接し、下流側界面が試薬貯留部の内部の空気に接するようにすることで、試薬が上流側に漏れることがないので、試薬の漏れ液によって空気抜き用高抵抗流路が塞がれて流路の空気抜きができなくなることを防止し、駆動液と試薬との間に気泡が介在せず、試薬の安定した送液が行えるマイクロ検査チップおよび検査装置を提供することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ検査チップ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および検査装置に関する。
【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、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）、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分析用チップは、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。
【０００４】
各種の分析、検査では、これらの分析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り、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（例えば、特許文献２〜４参照）。
【０００５】
上記のような分析用チップ（以下、マイクロ検査チップと言う）では、複数の試薬を混合した混合試薬と試料との反応を行うことができることが望ましい。そのために、マイクロ検査チップでは、一つのチップ内で試薬同士の混合、試薬と試料との混合など、各種の混合操作が必要となる。この際、各試薬等の合流のタイミングを精度良く合わせること、各試薬等を所定の圧力で送液すること等、試薬等の送液に高い精度が求められる。試薬等の送液を精度良く制御できないと、反応およびその検出結果に多大の影響が生ずる。
【０００６】
しかし、試薬や試料と、試薬や試料を送液するための駆動液との間に例えば空気の気泡が入ると、気泡がダンパの役割を果たすために、試薬や試料の送液が不安定になるという不具合が生ずる。
【０００７】
そこで、駆動液の流路と駆動液を試薬収容室に注入する注入口との分岐部に末端が外部へ開放された空気抜き用の流路を設けることで、試薬と駆動液との間に気泡が介在することを防止可能なマイクロリアクタが提案されている（例えば、特許文献５参照）。
【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２００７−８３１９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献５で提案された方法であっても、例えばマイクロ検査チップの温度変化や歪み等によって、試薬収容室から注入口を通って試薬が逆流し、逆流した試薬が空気に押されて空気抜き用の流路を塞いでしまうことが考えられる。こうなると、試薬と駆動液の間の気泡を抜くことができないため、上述した試薬の送液が不安定になるという不具合を防止することができない。
【０００９】
この課題について、図７乃至図１１を用いて説明する。図７乃至図９は上述した特許文献５で提案された方法を説明する模式図であり、図１０および図１１は試薬が逆流することによる不具合を説明するための模式図である。
【００１０】
図７において、マイクロ検査チップ３００を構成する試薬貯留部３１１には、試薬３２１が試薬充填口３１７から注入されて、充填されている。試薬貯留部３１１の上流側には上流側撥水バルブ３１３が、下流側には下流側撥水バルブ３１５がそれぞれ設けられているので、試薬３２１は、試薬充填口３１７から注入されると、両撥水バルブの位置まで満充填されて停止する。試薬３２１の充填完了後、試薬充填口３１７は、例えば粘着シート等の充填口封止部材３１９によって封止される。
【００１１】
この状態で、マイクロポンプ２１１によって、駆動液２１６がチップ接続部２１３（図示せず）を通って駆動液流路３０１に送液されてくる。駆動液２１６の送液に従って、空気３０９は下流へと押され、分岐部３０３および流路末端３０５を通って空気抜き用高抵抗流路３０７から外部へと排出される。本例では、駆動液流路３０１、分岐部３０３および流路末端３０５の流路幅は均一である。
【００１２】
図８において、駆動液２１６は、分岐部３０３と上流側撥水バルブ３１３との接続部３１３ａを超えて、流路末端３０５の方向へ送液され、送液に従って、空気３０９も空気抜き用高抵抗流路３０７から外部へ排出される。
【００１３】
図９において、駆動液２１６は流路末端３０５まで送液されて、流路末端３０５を満たす。空気抜き用高抵抗流路３０７からは駆動液２１６は殆ど漏れ出さない。引き続きマイクロポンプ２１１によって送液が行われると、駆動液２１６は上流側撥水バルブ３１３を通って試薬貯留部３１１に注入され、駆動液２１６に押されて、試薬３２１が下流側撥水バルブ３１５を通って下流の試薬流路３３１へと送液される。
【００１４】
このように、駆動液流路３０１、分岐部３０３および流路末端３０５に存在した空気３０９は、駆動液２１６の送液に従って空気抜き用高抵抗流路３０７から外部へと排出されるので、駆動液２１６と試薬３２１との間には気泡は介在せず、試薬３２１の安定した送液が行える。
【００１５】
しかしながら、図１０において、例えば試薬３２１の試薬貯留部３１１への充填時と実際のマイクロ検査チップ３００の使用時との温度が異なると、マイクロ検査チップ３００の材料の温度係数と試薬３２１の温度係数の違いから、試薬貯留部３１１の容積と試薬３２１の容積に差が発生する。試薬３２１の容積の方が大きくなると、見かけ上試薬３２１が膨張したようになり、試薬３２１が上流側撥水バルブ３１３あるいは下流側撥水バルブ３１５を通って漏れ出す。試薬３２１の漏れ液３２１ａは、上流側撥水バルブ３１３あるいは下流側撥水バルブ３１５から球状に盛り上がる。
【００１６】
特に、図１０のように、上流側即ち分岐部３０３内に試薬３２１の漏れ液３２１ａが逆流し、漏れ液３２１ａが駆動液２１６に押された空気３０９によって図の矢印Ａ方向に押されて流路末端３０５に移動すると、漏れ液３２１ａによって空気抜き用高抵抗流路３０７が塞がれる。その場合、以後の流路内の空気抜きができなくなる。
【００１７】
図１１において、漏れ液３２１ａによって空気抜き用高抵抗流路３０７が塞がれ、空気抜きができないために、駆動液２１６に押されて、空気３０９が上流側撥水バルブ３１３を通って試薬貯留部３１１内に注入される。駆動液２１６は、分岐部３０３と上流側撥水バルブ３１３との接続部３１３ａまで送液された所で、それよりも流路末端３０５の方向へは送液されず、上流側撥水バルブ３１３を通って試薬貯留部３１１内に流入する。従って、駆動液３１６と試薬３２１との間に空気３０９の気泡が介在することになり、試薬３２１の安定した送液が行えないことになる。
【００１８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、試薬の漏れ液によって空気抜き用高抵抗流路が塞がれて流路の空気抜きができなくなることを防止し、駆動液と試薬との間に気泡が介在せず、試薬の安定した送液が行えるマイクロ検査チップおよび検査装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の目的は、下記構成により達成することができる。
【００２０】
１．駆動液が送液される駆動液流路と、
前記駆動液流路の下流に連接する分岐部と、
前記分岐部の下流に連接する流路末端と、
前記流路末端に設けられ、流路内の空気を外部に放出するための空気抜き用高抵抗流路と、
試薬が貯留される試薬貯留部と、
前記分岐部と前記試薬貯留部とを接続する上流側撥水バルブとを備えたマイクロ検査チップにおいて、
前記試薬貯留部に貯留されている前記試薬の上流側界面は前記上流側撥水バルブに接し、下流側界面は前記試薬貯留部の内部の空気に接していることを特徴とするマイクロ検査チップ。
【００２１】
２．前記試薬貯留部は、試薬を充填するための試薬充填口を有し、
前記試薬充填口は、前記試薬貯留部の容積中心よりも上流側に配置されていることを特徴とする１に記載のマイクロ検査チップ。
【００２２】
３．前記試薬貯留部の下流に、下流側撥水バルブを介して連接する試薬流路を備えたことを特徴とする１又は２に記載のマイクロ検査チップ。
【００２３】
４．前記試薬貯留部の下流に直接連接する試薬流路を備えたことを特徴とする１又は２に記載のマイクロ検査チップ。
【００２４】
５．１乃至４の何れか１項に記載のマイクロ検査チップと、
前記駆動液を送液するためのマイクロポンプユニットとを備えたことを特徴とする検査装置。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、試薬貯留部に貯留されている試薬の上流側界面が上流側撥水バルブに接し、下流側界面が試薬貯留部の内部の空気に接するようにすることで、試薬が上流側に漏れることがないので、試薬の漏れ液によって空気抜き用高抵抗流路が塞がれて流路の空気抜きができなくなることを防止し、駆動液と試薬との間に気泡が介在せず、試薬の安定した送液が行えるマイクロ検査チップおよび検査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】
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、マイクロ検査チップ１００内の検体や試薬の送液を行う。加熱冷却ユニット２３０は、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。検出部２５０は、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検出する。駆動制御部２７０は、検査装置１内の各部の駆動、制御、検出等を行う。
【００２９】
マイクロポンプユニット２１０は、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２１１は、駆動液２１６の送液を行うことで、マイクロ検査チップ内の試薬や試料の送液を行う。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。駆動液タンク２１５は、送液のための駆動液２１６を供給する。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。
【００３０】
加熱冷却ユニット２３０は、冷却部２３１および加熱部２３３等で構成される。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）２５１および受光素子（ＰＤ）２５３等で構成され、マイクロ検査チップ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光学的に検出する。
【００３１】
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、そこに微細加工技術によりその幅および高さが数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。
【００３２】
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が駆動されることにより、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に流入する駆動液２１６により送液される。
【００３３】
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乃至図４を用いて説明する。図２乃至図４は、本発明におけるマイクロ検査チップの第１の実施の形態を示す模式図である。
【００３４】
図２において、マイクロ検査チップ１００は、駆動液流路１０１、分岐部１０３、流路末端１０５、空気抜き用高抵抗流路１０７、上流側撥水バルブ１１３、試薬貯留部１１１、下流側撥水バルブ１１５および試薬流路１３１等で構成されている。ここでは「試薬」として述べているが、これに限られるものではなく、例えば検体等の「試料」であってもよい。
【００３５】
駆動液流路１０１の下流には分岐部１０３が、分岐部１０３の下流には流路末端１０５が連接され、流路末端１０５には空気抜き用高抵抗流路１０７が設けられている。分岐部１０３には、上流側撥水バルブ１１３を介して試薬貯留部１１１が連接されており、試薬貯留部１１１の下流には、下流側撥水バルブ１１５を介して試薬流路１３１が連接されている。
【００３６】
微細流路である空気抜き用高抵抗流路１０７、上流側撥水バルブ１１３および下流側撥水バルブ１１５を除く駆動液流路１０１、分岐部１０３、流路末端１０５、試薬貯留部１１１および試薬流路１３１は同一のエッチング工程によって型が形成されるので、通常は流路の深さは同一である。よって、流路の容積は、流路の幅によって決定される。
【００３７】
試薬貯留部１１１には、試薬貯留部１１１の容積中心ＣＴよりも上流側に、試薬充填口１１７が設けられている。試薬１２１は、試薬貯留部１１１の容積よりも少ない量だけ定量されて注入される。試薬充填口１１７から試薬貯留部１１１内に試薬１２１の注入が開始されると、試薬１２１は試薬貯留部１１１内に流入し、図示したような扇形形状に広がっていく。ここに、容積中心ＣＴは、上流側撥水バルブ１１３から下流側撥水バルブ１１５に向かって、試薬貯留部１１１の容積の１／２に相当する位置のことである。
【００３８】
図３において、試薬１２１の上流側の界面１２１ｎは上流側撥水バルブ１１３に達して、上流側撥水バルブ１１３に接する。試薬１２１の量は試薬貯留部１１１の容積よりも少ないため、下流側の界面１２１ｍは下流側撥水バルブ１１５の位置に達することはなく、試薬貯留部１１１の途中で停止して試薬貯留部１１１内の空気に接している。試薬１２１の充填完了後、試薬充填口１１７は例えば粘着シート等からなる充填口封止部材１１９によって封止される。ここでは「空気」として述べているが、事前に充填された窒素や不活性ガス等の「気体」であってもよい。
【００３９】
この状態で、マイクロポンプ２１１からチップ接続部２１３（図示せず）を通って、駆動液２１６が駆動液流路１０１に送液されてくる。駆動液２１６の送液に従って、駆動液流路１０１、分岐部１０３および流路末端１０５内の空気１０９は、順次、空気抜き用高抵抗流路１０７から外部へと排出される。
【００４０】
図３において、試薬１２１の上流側の界面１２１ｎは上流側撥水バルブ１１３に接しているので、上流側の界面１２１ｎの液体保持力は非常に大きい。一方、下流側の界面１２１ｍは試薬貯留部１１１内の空気に接しているので、下流側の界面１２１ｍの液体保持力は小さい。
【００４１】
従って、例えば試薬１２１の試薬貯留部１１１への充填時と、マイクロ検査チップ１００の保存時、あるいはマイクロ検査チップ１００の使用時との温度差がある場合や、マイクロ検査チップ１００の取り扱い時に指で押さえられたりして外部からの力が加わり、試薬貯留部１１１に歪みが発生しても、試薬１２１の上流側の界面１２１ｎは動かず、下流側の界面１２１ｍが図の矢印Ｍ方向に動くことで、温度差や歪みによる試薬１２１の見かけ上の容積変動を吸収することができる。よって、試薬１２１が上流側即ち分岐部１０３内に漏れ出すことはない。
【００４２】
図４において、駆動液２１６は流路末端１０５まで送液されて、流路末端１０５を満たす。空気抜き用高抵抗流路１０７からは駆動液２１６は殆ど漏れ出さない。引き続きマイクロポンプ２１１によって送液が行われると、駆動液２１６は上流側撥水バルブ１１３を通って試薬貯留部１１１に注入され、駆動液２１６に押されて、試薬１２１が下流側撥水バルブ１１５を通って下流の試薬流路１３１へと送液される。試薬１２１と駆動液２１６との間に気泡が介在することはない。
【００４３】
以上に述べたように、本発明の第１の実施の形態によれば、試薬貯留部１１１の容積中心ＣＴよりも上流側に設けられた試薬充填口１１７から、試薬貯留部１１１の容積よりも少ない量の試薬１２１を定量して注入する。これによって、試薬１２１の上流側の界面１２１ｎが上流側撥水バルブ１１３に接し、下流側の界面１２１ｍが試薬貯留部１１１内の空気に接するようにすることができる。
【００４４】
そうすることによって、温度差や外力による歪み等が加わっても、下流側の界面１２１ｍの位置が変化することで温度差や歪みによる試薬１２１の見かけ上の容積変動を吸収することができ、試薬１２１が分岐部１０３内に漏れ出すことを防止することができる。よって、試薬の漏れ液によって空気抜き用高抵抗流路が塞がれることがないので、駆動液と試薬との間に気泡が介在せず、試薬の安定した送液が行えるマイクロ検査チップおよび検査装置を提供することができる。
【００４５】
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５および図６を用いて説明する。図５および図６は、本発明におけるマイクロ検査チップの第２の実施の形態を示す模式図である。
【００４６】
図５において、本第２の実施の形態では、第１の実施の形態とは異なり、試薬貯留部１１１は下流側撥水バルブ１１５を備えておらず、試薬貯留部１１１と試薬流路１３１とは直結されている。それ以外の構造は第１の実施の形態と同じである。
【００４７】
この場合においても、試薬貯留部１１１の容積中心ＣＴよりも上流側に設けられた試薬充填口１１７から、試薬貯留部１１１の容積よりも少ない量の試薬１２１を定量して注入することで、試薬１２１の上流側の界面１２１ｎが上流側撥水バルブ１１３に接し、下流側の界面１２１ｍが試薬貯留部１１１内の空気に接するようにすることができる。下流側撥水バルブ１１５がなくても、試薬１２１の下流側の界面１２１ｍの状態は第１の実施の形態と同じである。
【００４８】
ここに、容積中心ＣＴは、上流側撥水バルブ１１３から下流側撥水バルブ１１５に向かって、試薬貯留部１１１の容積の１／２に相当する位置のことであるが、例えば試薬貯留部１１１と試薬流路１３１とが同じ幅で境界が明確でない場合には、上流側撥水バルブ１１３から試薬流路１３１に向かって、試薬貯留部１１１に定量して注入される試薬１２１の容積の１／２に相当する位置としてもよい。
【００４９】
図６において、駆動液２１６は流路末端１０５まで送液されて、流路末端１０５を満たす。空気抜き用高抵抗流路１０７からは駆動液２１６は殆ど漏れ出さない。引き続きマイクロポンプ２１１によって送液が行われると、駆動液２１６は上流側撥水バルブ１１３を通って試薬貯留部１１１に注入され、駆動液２１６に押されて、試薬１２１が下流の試薬流路１３１へと送液される。試薬１２１と駆動液２１６との間に気泡が介在することはない。
【００５０】
以上に述べたように、本発明の第２の実施の形態によれば、試薬貯留部１１１が下流側撥水バルブ１１５を備えていなくても、試薬貯留部１１１の容積中心ＣＴよりも上流側に設けられた試薬充填口１１７から、試薬貯留部１１１の容積よりも少ない量の試薬１２１を定量して注入することで、試薬１２１が分岐部１０３内に漏れ出すことを防止することができる。よって、試薬の漏れ液によって空気抜き用高抵抗流路が塞がれることがないので、駆動液と試薬との間に気泡が介在せず、試薬の安定した送液が行えるマイクロ検査チップおよび検査装置を提供することができる。
【００５１】
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１２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１２は、マイクロポンプ２１１の構成の１例を示す模式図で、図１２（ａ）はピエゾポンプの１例を示した断面図、図１２（ｂ）はその上面図、図１２（ｃ）はピエゾポンプの他の例を示した断面図である。
【００５２】
図１２（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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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１２（ａ）のＢ方向）へ送液される。
【００５８】
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１２（ａ）のＡ方向）へ送液される。
【００５９】
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。
【００６０】
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１２（ａ）（ｂ）には図示されていないが、第１液室４０８には駆動液タンク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から駆動液の供給を受けている。第２液室４０９はマイクロポンプユニット２１０の流路を形成し、その先にチップ接続部２１３があり、マイクロ検査チップと繋がる。
【００６１】
図１２（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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
本発明におけるマイクロ検査チップ１００の第１の実施の形態では、試薬充填部１１１の上流側に上流側撥水バルブ１１３を、下流側に下流側撥水バルブ１１５をそれぞれ設けている。また第２の実施の形態でも、試薬充填部１１１の上流側に上流側撥水バルブ１１３を設けている。
【００６６】
ここで、撥水バルブの構造と動作について、図１３を用いて説明する。図１３は、撥水バルブの構造と動作について説明するための模式図で、図１３（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１３（ｂ）は撥水バルブを越えて送液されている状態を示す。
【００６７】
図１３（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。
【００６８】
流路壁５３１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、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。
【００６９】
図１３（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Ｐ２を維持せずとも、液体５４１が下流側流路５２３へ流れていく。
【００７０】
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。
【００７１】
流路壁５３１がガラスなどの親水性の材質で形成されている場合には、少なくとも送液制御通路５１１の内面に撥水性のコーティング、例えばフッ素系のコーティングを施す必要がある。
【００７２】
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。
【００７３】
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１３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。
【００７４】
以上に述べたように、本発明によれば、試薬貯留部に貯留されている試薬の上流側界面が上流側撥水バルブに接し、下流側界面が試薬貯留部の内部の空気に接するようにすることで、試薬が上流側に漏れることがないので、試薬の漏れ液によって空気抜き用高抵抗流路が塞がれて流路の空気抜きができなくなることを防止し、駆動液と試薬との間に気泡が介在せず、試薬の安定した送液が行えるマイクロ検査チップおよび検査装置を提供することができる。
【００７５】
尚、本発明に係るマイクロ検査チップ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。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明における検査装置の１例を示す模式図である。
【図２】本発明におけるマイクロ検査チップの第１の実施の形態を示す模式図（１／３）である。
【図３】本発明におけるマイクロ検査チップの第１の実施の形態を示す模式図（２／３）である。
【図４】本発明におけるマイクロ検査チップの第１の実施の形態を示す模式図（３／３）である。
【図５】本発明におけるマイクロ検査チップの第２の実施の形態を示す模式図（１／２）である。
【図６】本発明におけるマイクロ検査チップの第２の実施の形態を示す模式図（２／２）である。
【図７】特許文献５で提案された方法を説明するための模式図（１／３）である。
【図８】特許文献５で提案された方法を説明するための模式図（２／３）である。
【図９】特許文献５で提案された方法を説明するための模式図（３／３）である。
【図１０】試薬が逆流することによる不具合を説明するための模式図（１／２）である。
【図１１】試薬が逆流することによる不具合を説明するための模式図（２／２）である。
【図１２】マイクロポンプの構成の１例を示す模式図である。
【図１３】撥水バルブの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】
【００７７】
１ 検査装置
１００ マイクロ検査チップ
１０１ 駆動液流路
１０３ 分岐部
１０５ 流路末端
１０７ 空気抜き用高抵抗流路
１１１ 試薬貯留部
１１３ 上流側撥水バルブ
１１５ 下流側撥水バルブ
１１７ 試薬充填口
１１９ 充填口封止部材
１２１ 試薬
１３１ 試薬流路
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 発光ダイオード（ＬＥＤ）
２５３ 受光素子（ＰＤ）
２７０ 駆動制御部
４０１ 上側基板
４０２ 基板
４０３ 振動板
４０４ 圧電素子
４０５ 加圧室
４０６ 第１流路
４０７ 第２流路
４０８ 第１液室
４０９ 第２液室
４７１ シリコン基板
４７２ ポート
４７３ ポート
４７４ 基板
５０１ 撥水バルブ
５１１ 送液制御通路
５２１ 上流側流路
５２３ 下流側流路
５３１ 流路壁
５４１ 液体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ検査チップ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および検査装置に関する。
【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、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）、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分析用チップは、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。
【０００４】
各種の分析、検査では、これらの分析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り、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（例えば、特許文献２〜４参照）。
【０００５】
上記のような分析用チップ（以下、マイクロ検査チップと言う）では、複数の試薬を混合した混合試薬と試料との反応を行うことができることが望ましい。そのために、マイクロ検査チップでは、一つのチップ内で試薬同士の混合、試薬と試料との混合など、各種の混合操作が必要となる。この際、各試薬等の合流のタイミングを精度良く合わせること、各試薬等を所定の圧力で送液すること等、試薬等の送液に高い精度が求められる。試薬等の送液を精度良く制御できないと、反応およびその検出結果に多大の影響が生ずる。
【０００６】
しかし、試薬や試料と、試薬や試料を送液するための駆動液との間に例えば空気の気泡が入ると、気泡がダンパの役割を果たすために、試薬や試料の送液が不安定になるという不具合が生ずる。
【０００７】
そこで、駆動液の流路と駆動液を試薬収容室に注入する注入口との分岐部に末端が外部へ開放された空気抜き用の流路を設けることで、試薬と駆動液との間に気泡が介在することを防止可能なマイクロリアクタが提案されている（例えば、特許文献５参照）。
【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２００７−８３１９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献５で提案された方法であっても、例えばマイクロ検査チップの温度変化や歪み等によって、試薬収容室から注入口を通って試薬が逆流し、逆流した試薬が空気に押されて空気抜き用の流路を塞いでしまうことが考えられる。こうなると、試薬と駆動液の間の気泡を抜くことができないため、上述した試薬の送液が不安定になるという不具合を防止することができない。
【０００９】
この課題について、図７乃至図１１を用いて説明する。図７乃至図９は上述した特許文献５で提案された方法を説明する模式図であり、図１０および図１１は試薬が逆流することによる不具合を説明するための模式図である。
【００１０】
図７において、マイクロ検査チップ３００を構成する試薬貯留部３１１には、試薬３２１が試薬充填口３１７から注入されて、充填されている。試薬貯留部３１１の上流側には上流側撥水バルブ３１３が、下流側には下流側撥水バルブ３１５がそれぞれ設けられているので、試薬３２１は、試薬充填口３１７から注入されると、両撥水バルブの位置まで満充填されて停止する。試薬３２１の充填完了後、試薬充填口３１７は、例えば粘着シート等の充填口封止部材３１９によって封止される。
【００１１】
この状態で、マイクロポンプ２１１によって、駆動液２１６がチップ接続部２１３（図示せず）を通って駆動液流路３０１に送液されてくる。駆動液２１６の送液に従って、空気３０９は下流へと押され、分岐部３０３および流路末端３０５を通って空気抜き用高抵抗流路３０７から外部へと排出される。本例では、駆動液流路３０１、分岐部３０３および流路末端３０５の流路幅は均一である。
【００１２】
図８において、駆動液２１６は、分岐部３０３と上流側撥水バルブ３１３との接続部３１３ａを超えて、流路末端３０５の方向へ送液され、送液に従って、空気３０９も空気抜き用高抵抗流路３０７から外部へ排出される。
【００１３】
図９において、駆動液２１６は流路末端３０５まで送液されて、流路末端３０５を満たす。空気抜き用高抵抗流路３０７からは駆動液２１６は殆ど漏れ出さない。引き続きマイクロポンプ２１１によって送液が行われると、駆動液２１６は上流側撥水バルブ３１３を通って試薬貯留部３１１に注入され、駆動液２１６に押されて、試薬３２１が下流側撥水バルブ３１５を通って下流の試薬流路３３１へと送液される。
【００１４】
このように、駆動液流路３０１、分岐部３０３および流路末端３０５に存在した空気３０９は、駆動液２１６の送液に従って空気抜き用高抵抗流路３０７から外部へと排出されるので、駆動液２１６と試薬３２１との間には気泡は介在せず、試薬３２１の安定した送液が行える。
【００１５】
しかしながら、図１０において、例えば試薬３２１の試薬貯留部３１１への充填時と実際のマイクロ検査チップ３００の使用時との温度が異なると、マイクロ検査チップ３００の材料の温度係数と試薬３２１の温度係数の違いから、試薬貯留部３１１の容積と試薬３２１の容積に差が発生する。試薬３２１の容積の方が大きくなると、見かけ上試薬３２１が膨張したようになり、試薬３２１が上流側撥水バルブ３１３あるいは下流側撥水バルブ３１５を通って漏れ出す。試薬３２１の漏れ液３２１ａは、上流側撥水バルブ３１３あるいは下流側撥水バルブ３１５から球状に盛り上がる。
【００１６】
特に、図１０のように、上流側即ち分岐部３０３内に試薬３２１の漏れ液３２１ａが逆流し、漏れ液３２１ａが駆動液２１６に押された空気３０９によって図の矢印Ａ方向に押されて流路末端３０５に移動すると、漏れ液３２１ａによって空気抜き用高抵抗流路３０７が塞がれる。その場合、以後の流路内の空気抜きができなくなる。
【００１７】
図１１において、漏れ液３２１ａによって空気抜き用高抵抗流路３０７が塞がれ、空気抜きができないために、駆動液２１６に押されて、空気３０９が上流側撥水バルブ３１３を通って試薬貯留部３１１内に注入される。駆動液２１６は、分岐部３０３と上流側撥水バルブ３１３との接続部３１３ａまで送液された所で、それよりも流路末端３０５の方向へは送液されず、上流側撥水バルブ３１３を通って試薬貯留部３１１内に流入する。従って、駆動液３１６と試薬３２１との間に空気３０９の気泡が介在することになり、試薬３２１の安定した送液が行えないことになる。
【００１８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、試薬の漏れ液によって空気抜き用高抵抗流路が塞がれて流路の空気抜きができなくなることを防止し、駆動液と試薬との間に気泡が介在せず、試薬の安定した送液が行えるマイクロ検査チップおよび検査装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の目的は、下記構成により達成することができる。
【００２０】
１．駆動液が送液される駆動液流路と、
前記駆動液流路の下流に連接する分岐部と、
前記分岐部の下流に連接する流路末端と、
前記流路末端に設けられ、流路内の空気を外部に放出するための空気抜き用高抵抗流路と、
試薬が貯留される試薬貯留部と、
前記分岐部と前記試薬貯留部とを接続する上流側撥水バルブとを備えたマイクロ検査チップにおいて、
前記試薬貯留部に貯留されている前記試薬の上流側界面は前記上流側撥水バルブに接し、下流側界面は前記試薬貯留部の内部の空気に接していることを特徴とするマイクロ検査チップ。
【００２１】
２．前記試薬貯留部は、試薬を充填するための試薬充填口を有し、
前記試薬充填口は、前記試薬貯留部の容積中心よりも上流側に配置されていることを特徴とする１に記載のマイクロ検査チップ。
【００２２】
３．前記試薬貯留部の下流に、下流側撥水バルブを介して連接する試薬流路を備えたことを特徴とする１又は２に記載のマイクロ検査チップ。
【００２３】
４．前記試薬貯留部の下流に直接連接する試薬流路を備えたことを特徴とする１又は２に記載のマイクロ検査チップ。
【００２４】
５．１乃至４の何れか１項に記載のマイクロ検査チップと、
前記駆動液を送液するためのマイクロポンプユニットとを備えたことを特徴とする検査装置。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、試薬貯留部に貯留されている試薬の上流側界面が上流側撥水バルブに接し、下流側界面が試薬貯留部の内部の空気に接するようにすることで、試薬が上流側に漏れることがないので、試薬の漏れ液によって空気抜き用高抵抗流路が塞がれて流路の空気抜きができなくなることを防止し、駆動液と試薬との間に気泡が介在せず、試薬の安定した送液が行えるマイクロ検査チップおよび検査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】
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、マイクロ検査チップ１００内の検体や試薬の送液を行う。加熱冷却ユニット２３０は、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。検出部２５０は、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検出する。駆動制御部２７０は、検査装置１内の各部の駆動、制御、検出等を行う。
【００２９】
マイクロポンプユニット２１０は、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２１１は、駆動液２１６の送液を行うことで、マイクロ検査チップ内の試薬や試料の送液を行う。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。駆動液タンク２１５は、送液のための駆動液２１６を供給する。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。
【００３０】
加熱冷却ユニット２３０は、冷却部２３１および加熱部２３３等で構成される。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）２５１および受光素子（ＰＤ）２５３等で構成され、マイクロ検査チップ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光学的に検出する。
【００３１】
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、そこに微細加工技術によりその幅および高さが数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。
【００３２】
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が駆動されることにより、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に流入する駆動液２１６により送液される。
【００３３】
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乃至図４を用いて説明する。図２乃至図４は、本発明におけるマイクロ検査チップの第１の実施の形態を示す模式図である。
【００３４】
図２において、マイクロ検査チップ１００は、駆動液流路１０１、分岐部１０３、流路末端１０５、空気抜き用高抵抗流路１０７、上流側撥水バルブ１１３、試薬貯留部１１１、下流側撥水バルブ１１５および試薬流路１３１等で構成されている。ここでは「試薬」として述べているが、これに限られるものではなく、例えば検体等の「試料」であってもよい。
【００３５】
駆動液流路１０１の下流には分岐部１０３が、分岐部１０３の下流には流路末端１０５が連接され、流路末端１０５には空気抜き用高抵抗流路１０７が設けられている。分岐部１０３には、上流側撥水バルブ１１３を介して試薬貯留部１１１が連接されており、試薬貯留部１１１の下流には、下流側撥水バルブ１１５を介して試薬流路１３１が連接されている。
【００３６】
微細流路である空気抜き用高抵抗流路１０７、上流側撥水バルブ１１３および下流側撥水バルブ１１５を除く駆動液流路１０１、分岐部１０３、流路末端１０５、試薬貯留部１１１および試薬流路１３１は同一のエッチング工程によって型が形成されるので、通常は流路の深さは同一である。よって、流路の容積は、流路の幅によって決定される。
【００３７】
試薬貯留部１１１には、試薬貯留部１１１の容積中心ＣＴよりも上流側に、試薬充填口１１７が設けられている。試薬１２１は、試薬貯留部１１１の容積よりも少ない量だけ定量されて注入される。試薬充填口１１７から試薬貯留部１１１内に試薬１２１の注入が開始されると、試薬１２１は試薬貯留部１１１内に流入し、図示したような扇形形状に広がっていく。ここに、容積中心ＣＴは、上流側撥水バルブ１１３から下流側撥水バルブ１１５に向かって、試薬貯留部１１１の容積の１／２に相当する位置のことである。
【００３８】
図３において、試薬１２１の上流側の界面１２１ｎは上流側撥水バルブ１１３に達して、上流側撥水バルブ１１３に接する。試薬１２１の量は試薬貯留部１１１の容積よりも少ないため、下流側の界面１２１ｍは下流側撥水バルブ１１５の位置に達することはなく、試薬貯留部１１１の途中で停止して試薬貯留部１１１内の空気に接している。試薬１２１の充填完了後、試薬充填口１１７は例えば粘着シート等からなる充填口封止部材１１９によって封止される。ここでは「空気」として述べているが、事前に充填された窒素や不活性ガス等の「気体」であってもよい。
【００３９】
この状態で、マイクロポンプ２１１からチップ接続部２１３（図示せず）を通って、駆動液２１６が駆動液流路１０１に送液されてくる。駆動液２１６の送液に従って、駆動液流路１０１、分岐部１０３および流路末端１０５内の空気１０９は、順次、空気抜き用高抵抗流路１０７から外部へと排出される。
【００４０】
図３において、試薬１２１の上流側の界面１２１ｎは上流側撥水バルブ１１３に接しているので、上流側の界面１２１ｎの液体保持力は非常に大きい。一方、下流側の界面１２１ｍは試薬貯留部１１１内の空気に接しているので、下流側の界面１２１ｍの液体保持力は小さい。
【００４１】
従って、例えば試薬１２１の試薬貯留部１１１への充填時と、マイクロ検査チップ１００の保存時、あるいはマイクロ検査チップ１００の使用時との温度差がある場合や、マイクロ検査チップ１００の取り扱い時に指で押さえられたりして外部からの力が加わり、試薬貯留部１１１に歪みが発生しても、試薬１２１の上流側の界面１２１ｎは動かず、下流側の界面１２１ｍが図の矢印Ｍ方向に動くことで、温度差や歪みによる試薬１２１の見かけ上の容積変動を吸収することができる。よって、試薬１２１が上流側即ち分岐部１０３内に漏れ出すことはない。
【００４２】
図４において、駆動液２１６は流路末端１０５まで送液されて、流路末端１０５を満たす。空気抜き用高抵抗流路１０７からは駆動液２１６は殆ど漏れ出さない。引き続きマイクロポンプ２１１によって送液が行われると、駆動液２１６は上流側撥水バルブ１１３を通って試薬貯留部１１１に注入され、駆動液２１６に押されて、試薬１２１が下流側撥水バルブ１１５を通って下流の試薬流路１３１へと送液される。試薬１２１と駆動液２１６との間に気泡が介在することはない。
【００４３】
以上に述べたように、本発明の第１の実施の形態によれば、試薬貯留部１１１の容積中心ＣＴよりも上流側に設けられた試薬充填口１１７から、試薬貯留部１１１の容積よりも少ない量の試薬１２１を定量して注入する。これによって、試薬１２１の上流側の界面１２１ｎが上流側撥水バルブ１１３に接し、下流側の界面１２１ｍが試薬貯留部１１１内の空気に接するようにすることができる。
【００４４】
そうすることによって、温度差や外力による歪み等が加わっても、下流側の界面１２１ｍの位置が変化することで温度差や歪みによる試薬１２１の見かけ上の容積変動を吸収することができ、試薬１２１が分岐部１０３内に漏れ出すことを防止することができる。よって、試薬の漏れ液によって空気抜き用高抵抗流路が塞がれることがないので、駆動液と試薬との間に気泡が介在せず、試薬の安定した送液が行えるマイクロ検査チップおよび検査装置を提供することができる。
【００４５】
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５および図６を用いて説明する。図５および図６は、本発明におけるマイクロ検査チップの第２の実施の形態を示す模式図である。
【００４６】
図５において、本第２の実施の形態では、第１の実施の形態とは異なり、試薬貯留部１１１は下流側撥水バルブ１１５を備えておらず、試薬貯留部１１１と試薬流路１３１とは直結されている。それ以外の構造は第１の実施の形態と同じである。
【００４７】
この場合においても、試薬貯留部１１１の容積中心ＣＴよりも上流側に設けられた試薬充填口１１７から、試薬貯留部１１１の容積よりも少ない量の試薬１２１を定量して注入することで、試薬１２１の上流側の界面１２１ｎが上流側撥水バルブ１１３に接し、下流側の界面１２１ｍが試薬貯留部１１１内の空気に接するようにすることができる。下流側撥水バルブ１１５がなくても、試薬１２１の下流側の界面１２１ｍの状態は第１の実施の形態と同じである。
【００４８】
ここに、容積中心ＣＴは、上流側撥水バルブ１１３から下流側撥水バルブ１１５に向かって、試薬貯留部１１１の容積の１／２に相当する位置のことであるが、例えば試薬貯留部１１１と試薬流路１３１とが同じ幅で境界が明確でない場合には、上流側撥水バルブ１１３から試薬流路１３１に向かって、試薬貯留部１１１に定量して注入される試薬１２１の容積の１／２に相当する位置としてもよい。
【００４９】
図６において、駆動液２１６は流路末端１０５まで送液されて、流路末端１０５を満たす。空気抜き用高抵抗流路１０７からは駆動液２１６は殆ど漏れ出さない。引き続きマイクロポンプ２１１によって送液が行われると、駆動液２１６は上流側撥水バルブ１１３を通って試薬貯留部１１１に注入され、駆動液２１６に押されて、試薬１２１が下流の試薬流路１３１へと送液される。試薬１２１と駆動液２１６との間に気泡が介在することはない。
【００５０】
以上に述べたように、本発明の第２の実施の形態によれば、試薬貯留部１１１が下流側撥水バルブ１１５を備えていなくても、試薬貯留部１１１の容積中心ＣＴよりも上流側に設けられた試薬充填口１１７から、試薬貯留部１１１の容積よりも少ない量の試薬１２１を定量して注入することで、試薬１２１が分岐部１０３内に漏れ出すことを防止することができる。よって、試薬の漏れ液によって空気抜き用高抵抗流路が塞がれることがないので、駆動液と試薬との間に気泡が介在せず、試薬の安定した送液が行えるマイクロ検査チップおよび検査装置を提供することができる。
【００５１】
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１２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１２は、マイクロポンプ２１１の構成の１例を示す模式図で、図１２（ａ）はピエゾポンプの１例を示した断面図、図１２（ｂ）はその上面図、図１２（ｃ）はピエゾポンプの他の例を示した断面図である。
【００５２】
図１２（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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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１２（ａ）のＢ方向）へ送液される。
【００５８】
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１２（ａ）のＡ方向）へ送液される。
【００５９】
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。
【００６０】
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１２（ａ）（ｂ）には図示されていないが、第１液室４０８には駆動液タンク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から駆動液の供給を受けている。第２液室４０９はマイクロポンプユニット２１０の流路を形成し、その先にチップ接続部２１３があり、マイクロ検査チップと繋がる。
【００６１】
図１２（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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
本発明におけるマイクロ検査チップ１００の第１の実施の形態では、試薬充填部１１１の上流側に上流側撥水バルブ１１３を、下流側に下流側撥水バルブ１１５をそれぞれ設けている。また第２の実施の形態でも、試薬充填部１１１の上流側に上流側撥水バルブ１１３を設けている。
【００６６】
ここで、撥水バルブの構造と動作について、図１３を用いて説明する。図１３は、撥水バルブの構造と動作について説明するための模式図で、図１３（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１３（ｂ）は撥水バルブを越えて送液されている状態を示す。
【００６７】
図１３（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。
【００６８】
流路壁５３１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、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。
【００６９】
図１３（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Ｐ２を維持せずとも、液体５４１が下流側流路５２３へ流れていく。
【００７０】
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。
【００７１】
流路壁５３１がガラスなどの親水性の材質で形成されている場合には、少なくとも送液制御通路５１１の内面に撥水性のコーティング、例えばフッ素系のコーティングを施す必要がある。
【００７２】
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。
【００７３】
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１３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。
【００７４】
以上に述べたように、本発明によれば、試薬貯留部に貯留されている試薬の上流側界面が上流側撥水バルブに接し、下流側界面が試薬貯留部の内部の空気に接するようにすることで、試薬が上流側に漏れることがないので、試薬の漏れ液によって空気抜き用高抵抗流路が塞がれて流路の空気抜きができなくなることを防止し、駆動液と試薬との間に気泡が介在せず、試薬の安定した送液が行えるマイクロ検査チップおよび検査装置を提供することができる。
【００７５】
尚、本発明に係るマイクロ検査チップ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。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明における検査装置の１例を示す模式図である。
【図２】本発明におけるマイクロ検査チップの第１の実施の形態を示す模式図（１／３）である。
【図３】本発明におけるマイクロ検査チップの第１の実施の形態を示す模式図（２／３）である。
【図４】本発明におけるマイクロ検査チップの第１の実施の形態を示す模式図（３／３）である。
【図５】本発明におけるマイクロ検査チップの第２の実施の形態を示す模式図（１／２）である。
【図６】本発明におけるマイクロ検査チップの第２の実施の形態を示す模式図（２／２）である。
【図７】特許文献５で提案された方法を説明するための模式図（１／３）である。
【図８】特許文献５で提案された方法を説明するための模式図（２／３）である。
【図９】特許文献５で提案された方法を説明するための模式図（３／３）である。
【図１０】試薬が逆流することによる不具合を説明するための模式図（１／２）である。
【図１１】試薬が逆流することによる不具合を説明するための模式図（２／２）である。
【図１２】マイクロポンプの構成の１例を示す模式図である。
【図１３】撥水バルブの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】
【００７７】
１ 検査装置
１００ マイクロ検査チップ
１０１ 駆動液流路
１０３ 分岐部
１０５ 流路末端
１０７ 空気抜き用高抵抗流路
１１１ 試薬貯留部
１１３ 上流側撥水バルブ
１１５ 下流側撥水バルブ
１１７ 試薬充填口
１１９ 充填口封止部材
１２１ 試薬
１３１ 試薬流路
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 発光ダイオード（ＬＥＤ）
２５３ 受光素子（ＰＤ）
２７０ 駆動制御部
４０１ 上側基板
４０２ 基板
４０３ 振動板
４０４ 圧電素子
４０５ 加圧室
４０６ 第１流路
４０７ 第２流路
４０８ 第１液室
４０９ 第２液室
４７１ シリコン基板
４７２ ポート
４７３ ポート
４７４ 基板
５０１ 撥水バルブ
５１１ 送液制御通路
５２１ 上流側流路
５２３ 下流側流路
５３１ 流路壁
５４１ 液体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動液が送液される駆動液流路と、
前記駆動液流路の下流に連接する分岐部と、
前記分岐部の下流に連接する流路末端と、
前記流路末端に設けられ、流路内の空気を外部に放出するための空気抜き用高抵抗流路と、
試薬が貯留される試薬貯留部と、
前記分岐部と前記試薬貯留部とを接続する上流側撥水バルブとを備えたマイクロ検査チップにおいて、
前記試薬貯留部に貯留されている前記試薬の上流側界面は前記上流側撥水バルブに接し、下流側界面は前記試薬貯留部の内部の空気に接していることを特徴とするマイクロ検査チップ。
【請求項２】
前記試薬貯留部は、試薬を充填するための試薬充填口を有し、
前記試薬充填口は、前記試薬貯留部の容積中心よりも上流側に配置されている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。
【請求項３】
前記試薬貯留部の下流に、下流側撥水バルブを介して連接する試薬流路を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ検査チップ。
【請求項４】
前記試薬貯留部の下流に直接連接する試薬流路を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ検査チップ。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載のマイクロ検査チップと、
前記駆動液を送液するためのマイクロポンプユニットとを備えたことを特徴とする検査装置。
【請求項１】
駆動液が送液される駆動液流路と、
前記駆動液流路の下流に連接する分岐部と、
前記分岐部の下流に連接する流路末端と、
前記流路末端に設けられ、流路内の空気を外部に放出するための空気抜き用高抵抗流路と、
試薬が貯留される試薬貯留部と、
前記分岐部と前記試薬貯留部とを接続する上流側撥水バルブとを備えたマイクロ検査チップにおいて、
前記試薬貯留部に貯留されている前記試薬の上流側界面は前記上流側撥水バルブに接し、下流側界面は前記試薬貯留部の内部の空気に接していることを特徴とするマイクロ検査チップ。
【請求項２】
前記試薬貯留部は、試薬を充填するための試薬充填口を有し、
前記試薬充填口は、前記試薬貯留部の容積中心よりも上流側に配置されている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。
【請求項３】
前記試薬貯留部の下流に、下流側撥水バルブを介して連接する試薬流路を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ検査チップ。
【請求項４】
前記試薬貯留部の下流に直接連接する試薬流路を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ検査チップ。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載のマイクロ検査チップと、
前記駆動液を送液するためのマイクロポンプユニットとを備えたことを特徴とする検査装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００９−１９８９０（Ｐ２００９−１９８９０Ａ）
【公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１８０７４３（Ｐ２００７−１８０７４３）
【出願日】平成１９年７月１０日（２００７．７．１０）
【出願人】（３０３０００４２０）コニカミノルタエムジー株式会社 (2,950)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月１０日（２００７．７．１０）
【出願人】（３０３０００４２０）コニカミノルタエムジー株式会社 (2,950)
【Ｆターム（参考）】
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