マイクロ検査チップおよび検査装置
【課題】複数種類の液体を効率よく混合して反応させ、反応によって得られた生成液から標的物質を検出することができ、小型化やコストダウンに適した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】複数種類の液体の混合液を、増幅部内にくちばし状に飛び出した突起部の先端から増幅部内に流入させることで、複数種類の液体を効率よく混合することができる。また、混合液の表面が増幅部の壁面に接しないようにすることで、複数種類の液体を効率よく混合することができる。さらに、増幅部で加熱することにより反応を増幅して生成液を得、増幅部で生液内の標的物質を検出するので、複数種類の液体を効率よく反応させ、得られた生成液から標的物質を検出することができ、小型化やコストダウンに適した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】複数種類の液体の混合液を、増幅部内にくちばし状に飛び出した突起部の先端から増幅部内に流入させることで、複数種類の液体を効率よく混合することができる。また、混合液の表面が増幅部の壁面に接しないようにすることで、複数種類の液体を効率よく混合することができる。さらに、増幅部で加熱することにより反応を増幅して生成液を得、増幅部で生液内の標的物質を検出するので、複数種類の液体を効率よく反応させ、得られた生成液から標的物質を検出することができ、小型化やコストダウンに適した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の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。そこで、２つの液体貯留部から２種類の液体をＹ字型の流路を介して折れ曲がった長い混合流路に流し込んで混合し、検出部において標的物質を検出する方法が提案されている（例えば、特許文献５参照）。
【０００６】
また、試薬と試料との混合液を反応チャンバ内に流し込んで、反応チャンバ内で温度循環させて反応させた後に、検出チャンバに送液して、検出チャンバに設けられた窓を通して標的物質の存在テストを行う方法が提案されている（例えば、特許文献６参照）。
【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】米国特許第６７４３３９９号明細書
【特許文献６】特許第３５５８２９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献５で提案された方法では、Ｙ字型流路を介して混合流路に流れ込んだ２種類の液体は、混合流路内を層流となって流れるために容易には混合しないので、混合流路の長さを非常に長くしないと混合されない。そのために、混合流路がマイクロ検査チップ上に大きな面積を占め、マイクロ検査チップの小型化やコストダウンの阻害要因となる。また、液体を長い距離送液する必要があるので、送液用のマイクロポンプへの負荷も大きい。
【０００８】
さらに、特許文献６で提案された方法でも、反応チャンバと検出チャンバとが別設されているのでマイクロ検査チップ上に大きなスペースが必要で、マイクロ検査チップの小型化やコストダウンの阻害要因となる。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、複数種類の液体を効率よく混合して反応させ、反応によって得られた生成液から標的物質を検出することができ、小型化やコストダウンに適した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】
【００１０】
本発明の目的は、下記構成により達成することができる。
【００１１】
１．複数種類の液体の混合液を下流に送液するための混合液流路と、
前記混合液流路の下流に連通し、加熱により前記混合液の反応を増幅して生成液を得る増幅部とを備えたマイクロ検査チップにおいて、
前記混合液流路と前記増幅部との連通部は、流路幅が前記混合液流路よりも狭い細流路であり、
前記細流路の最下流部は、前記増幅部の内壁からくちばし状に突出した突起部の先端部に開口していることを特徴とするマイクロ検査チップ。
【００１２】
２．前記増幅部は、前記混合液が全量送液されても、その内壁の側面および上面と前記混合液との間に隙間を有することを特徴とする１に記載のマイクロ検査チップ。
【００１３】
３．前記増幅部の内壁は疎水性であることを特徴とする１または２に記載のマイクロ検査チップ。
【００１４】
４．前記増幅部は、前記生成液に含まれる標的物質を検出するための検出領域を有することを特徴とする１乃至３の何れか１項に記載のマイクロ検査チップ。
【００１５】
５．前記混合液流路の上流に、複数の前記液体を定量して貯留する複数の液体貯留部を備えたことを特徴とする１乃至４の何れか１項に記載のマイクロ検査チップ。
【００１６】
６．１乃至５の何れか１項に記載のマイクロ検査チップと、
前記混合液を送液するマイクロポンプと、
前記混合液を加熱する加熱部と、
前記生成液に含まれる標的物質を検出する検出部とを備えたことを特徴とする検査装置。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、複数種類の液体の混合液を、増幅部内にくちばし状に飛び出した突起部の先端から増幅部内に流入させることで、複数種類の液体を効率よく混合することができる。また、混合液の表面が増幅部の壁面に接しないようにすることで、複数種類の液体を効率よく混合することができる。さらに、増幅部で加熱することにより反応を増幅して生成液を得、増幅部で生液内の標的物質を検出するので、複数種類の液体を効率よく反応させ、得られた生成液から標的物質を検出することができ、小型化やコストダウンに適した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】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
次に、本発明におけるマイクロ検査チップ１００の主要部の構成について、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の主要部の構成を示す模式図である。ここでは、本発明における複数種類の液体が１種類の試薬と１種類の検体との場合を例示するが、それには限らず、試薬と試薬、あるいは複数種類の試薬と検体であってもよい。
【００２６】
図２において、マイクロ検査チップ１００は、試薬貯留部１２１、検体貯留部１３１、混合液流路１４１、増幅部１１１および排気バルブ１５１等の流路で構成される。各流路は、プラスチック等の疎水性材料で形成されるか、流路内面に疎水性コーティングを施すことで疎水性とされることが望ましい。
【００２７】
試薬貯留部１２１には、その上流側および下流側にそれぞれ撥水バルブ１２５ａおよび１２５ｂが設けられている。また、試薬貯留部１２１には試薬注入口１２７が設けられている。試薬注入口１２７から試薬１２３が適量注入されることで、試薬１２３が撥水バルブ１２５ａから１２５ｂまで定量されて満充填される。試薬１２３充填完了後、試薬注入口１２７は、粘着シート等で構成される封止部材１２９により封止される。
【００２８】
検体貯留部１３１についても同様に、検体注入口１３７から検体１３３が適量注入されることで、検体１３３が撥水バルブ１３５ａから１３５ｂまで定量されて満充填される。検体１３３充填完了後、検体注入口１３７は粘着シート等で構成される封止部材１３９により封止される。
【００２９】
試薬貯留部１２１および検体貯留部１３１に貯留された試薬１２３および検体１３３は、試薬貯留部１２１および検体貯留部１３１の上流に位置するマイクロポンプ２１１から送液される駆動液２１６によって、下流へと送液される。試薬貯留部１２１および検体貯留部１３１は、本発明における複数の液体貯留部として機能する。
【００３０】
図２には、試薬１２３および検体１３３が混合液流路１４１の途中まで送液された状態を示している。試薬１２３と検体１３３とは層流として送液されるので、混合液流路１４１内ではあまり混合されない。試薬１２３および検体１３３は、この後、混合液流路１４１から増幅部１１１に送液され、増幅部１１１内で混合、加熱されて反応が促進され、生成液となる。
【００３１】
混合液流路１４１の下流には、細流路１１３が連通しており、細流路１１３の先端は増幅部１１１の内壁１１１ａから増幅部１１１の内側にくちばし状に飛び出した突起部１１５の先端に開口している。試薬１２３および検体１３３は、混合液流路１４１から細流路１１３を経由して突起部１１５の先端から増幅部１１１内に流入する。
【００３２】
次に、本発明の実施の形態について、図３乃至図５を用いて説明する。図３は、増幅部１１１を中心とした本発明の実施の形態の主要な流路の構成を示す模式図で、図３（ａ）はマイクロ検査チップ１００の流路が形成されている面（以下、流路面と言う）側から見た図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ’断面を流路面を下にして示した図である。なお、断面図を併用して説明する都合上、図３以降の流路面側から見た図は、図２の混合液流路１４１より下流の部分を、図２に対して反時計回りに９０度回転して図示する。
【００３３】
図３（ａ）において、上述したように、混合液流路１４１の下流に連通した細流路１１３の先端が、増幅部１１１の内壁１１１ａから増幅部１１１の内側にくちばし状に飛び出した突起部１１５の先端に開口している。増幅部１１１は、角が丸められた概略四角形状であり、突起部１１５と対向する壁面１１１ｂには排気バルブ１５１が設けられている。
【００３４】
増幅部１１１の中央付近には、増幅部１１１で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ための検出領域２５５が設けられている。増幅部１１１および後述する封止シート１９１の少なくとも検出領域２５５の部分は、光が透過できるようになされている。さらに、増幅部１１１の流路面側には、検出領域２５５を避けて、ヒータ等で構成される加熱部２３３が設けられている。
【００３５】
図３（ｂ）において、増幅部１１１のＡ−Ａ’断面は、角が丸められた概略四角形状であり、細流路１１３の先端が突起部１１５の先端に開口している。一方、突起部１１５と対向する壁面１１１ｂには排気バルブ１５１が設けられている。マイクロ検査チップ１００上に形成された各流路は、封止シート１９１によってマイクロ検査チップ１００の流路面側から封止されている。
【００３６】
図３（ａ）で上述したように、増幅部１１１の中央付近には検出領域２５５が設けられ、検出領域２５５を挟んでマイクロ検査チップ１００の両面には、増幅部１１１内で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ための検出部２５０が設けられている。検出部２５０は、例えばマイクロ検査チップ１００の裏面側に配置された光源２５１と、流路面側に配置された受光素子２５３とで構成されている。所謂透過型の構成である。もちろん、光源２５１と受光素子２５３とがマイクロ検査チップ１００の同一側に配置された所謂反射型の構成でもよい。
【００３７】
さらに、増幅部１１１の流路面側には、検出領域２５５を避けて、ヒータ等で構成される加熱部２３３が設けられている。検出部２５０での検出に影響のない透明なヒータであれば、増幅部１１１の流路面側全面に配置してもよい。加熱部２３３は、図１に示した駆動制御部２７０によって駆動され、制御される。
【００３８】
続いて、試薬１２３と検体１３３とが、細流路１１３から増幅部１１１に流入した状態について、図４および図５を用いて説明する。図４は、試薬１２３と検体１３３とが細流路１１３から増幅部１１１に流入した状態を示す模式図で、図４（ａ）はマイクロ検査チップ１００の流路面側から見た図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ’断面を流路面を下にして示した図である。
【００３９】
図４（ａ）および（ｂ）において、混合液流路１４１および細流路１１３内を層流として送液されてきた試薬１２３と検体１３３とは、増幅部１１１内の空気を排気バルブ１５１から排出しながら、突起部１１５の先端に開口した細流路１１３から増幅部１１１内に流入する。増幅部１１１の内壁面は疎水性であり、突起部１１５の先端も疎水性のため、混合液１６１は、試薬１２３と検体１３３との混合液１６１の表面張力によって、突起部１１５の先端から半球状に広がっていく。
【００４０】
増幅部１１１は、試薬貯留部１２１および検体貯留部１３１で定量された試薬１２３と検体１３３との混合液１６１が増幅部１１１内に全量送液されても、混合液１６１の表面が増幅部１１１の内壁面１１１ａおよび１１１ｂや、増幅部１１１の天面１１１ｃに触れないだけの容積を持っている。これによって、混合液１６１の表面張力により混合液１６１に対流が発生して、混合が促進される。
【００４１】
図５は、混合液１６１が増幅部１１１内に全量送液された状態を示す模式図で、図５（ａ）はマイクロ検査チップ１００の流路面側から見た図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ’断面を流路面を下にして示した図である。
【００４２】
図５（ａ）および（ｂ）において、混合液１６１は、定量されたその全量が増幅部１１１内に送液され、半球状の形状を保ったまま、加熱部２３３によって加熱されて反応が増幅され、生成液１６１が得られる。反応によって生成された生成液１６１中の標的物質は、検出部２５０によって光学的に検出される。
【００４３】
上述したように、増幅部１１１は、混合液１６１が全量送液されても、混合液１６１の表面が増幅部１１１の内壁面１１１ａおよび１１１ｂや、増幅部１１１の天面１１１ｃに触れないだけの容積を持っているので、加熱部２３３による加熱により混合液１６１内の反応が増幅される際にも、混合液１６１の表面張力によって混合液１６１の反応が促進される。
【００４４】
なお、本実施の形態においては、マイクロポンプにより駆動液を送液することで、検体や試薬を送液しているが、必ずしもマイクロポンプのような液体用ポンプを用いる必要はなく、空気用ポンプを用いて検体や試薬を直接送液してもよい。
【００４５】
以上に述べたように、本発明の実施の形態によれば、試薬１２３と検体１３３との混合液１６１を、増幅部１１１の内壁１１１ａから増幅部１１１の内側にくちばし状に飛び出した突起部１１５の先端に開口している細流路１１３から増幅部１１１に流入させ、混合液１６１が増幅部の壁面に触れないようにすることで、混合液１６１を素早く混合することができる。
【００４６】
また、増幅部１１１内で加熱部２３３を用いて混合液１６１を加熱することで、混合液１６１を効率よく反応させて生成液１６１を得ることができる。さらに、増幅部１１１内で検出部２５０を用いて生成液１６１内の標的物質を検出するので、反応によって得られた生成液１６１から効率よく標的物質を検出することができる。加えて、以上に述べた混合、加熱、反応、検出の全てを増幅部１１１内で行うので、省スペース化に優れ、マイクロ検査チップの小型化やコストダウンに適している。
【００４７】
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６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６は、マイクロポンプ２１１の構成の１例を示す模式図で、図６（ａ）はピエゾポンプの１例を示した断面図、図６（ｂ）はその上面図、図６（ｃ）はピエゾポンプの他の例を示した断面図である。
【００４８】
図６（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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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６（ａ）のＢ方向）へ送液される。
【００５４】
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６（ａ）のＡ方向）へ送液される。
【００５５】
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。
【００５６】
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６（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。
【００５７】
図６（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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
本発明の実施の形態におけるマイクロ検査チップ１００では、試薬貯留部１２１および検体貯留部１３１の上流と下流とに撥水バルブを設けている。また、細流路１１３についても撥水バルブと同様の構造である。ここで、撥水バルブの構造と動作について、図７を用いて説明する。図７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７（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７（ｂ）は撥水バルブを越えて送液されている状態を示す。
【００６２】
図７（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。
【００６３】
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。
【００６４】
図７（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Ｐ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。
【００６５】
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Ｐ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Ｐ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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
以上に述べたように、本発明によれば、複数種類の液体の混合液を、増幅部内にくちばし状に飛び出した突起部の先端から増幅部内に流入させることで、複数種類の液体を効率よく混合することができる。また、混合液の表面が増幅部の壁面に接しないようにすることで、複数種類の液体を効率よく混合することができる。さらに、増幅部で加熱することにより反応を増幅して生成液を得、増幅部で生液内の標的物質を検出するので、複数種類の液体を効率よく反応させ、得られた生成液から標的物質を検出することができ、小型化やコストダウンに適した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。
【００６９】
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】
【００７０】
【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主要部の構成を示す模式図である。
【図３】増幅部を中心とした本発明の実施の形態の主要な流路の構成を示す模式図である。
【図４】試薬と検体とが細流路から増幅部に流入した状態を示す模式図である。
【図５】混合液が増幅部内に全量送液された状態を示す模式図である。
【図６】マイクロポンプの構成の１例を示す模式図である。
【図７】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】
【００７１】
１ 検査装置
１００ マイクロ検査チップ
１１１ 増幅部
１１１ａ 増幅部壁面
１１１ｂ 増幅部壁面
１１１ｃ 増幅部天面
１１３ 細流路
１１５ 突起部
１２１ 試薬貯留部
１２３ 試薬
１２５ａ 撥水バルブ
１２５ｂ 撥水バルブ
１２７ 試薬注入口
１２９ 封止部材
１３１ 検体貯留部
１３３ 検体
１３５ａ 撥水バルブ
１３５ｂ 撥水バルブ
１３７ 検体注入口
１３９ 封止部材
１４１ 混合液流路
１５１ 排気バルブ
１６１ 混合液または生成液
１９１ 封止シート
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
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の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。そこで、２つの液体貯留部から２種類の液体をＹ字型の流路を介して折れ曲がった長い混合流路に流し込んで混合し、検出部において標的物質を検出する方法が提案されている（例えば、特許文献５参照）。
【０００６】
また、試薬と試料との混合液を反応チャンバ内に流し込んで、反応チャンバ内で温度循環させて反応させた後に、検出チャンバに送液して、検出チャンバに設けられた窓を通して標的物質の存在テストを行う方法が提案されている（例えば、特許文献６参照）。
【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】米国特許第６７４３３９９号明細書
【特許文献６】特許第３５５８２９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献５で提案された方法では、Ｙ字型流路を介して混合流路に流れ込んだ２種類の液体は、混合流路内を層流となって流れるために容易には混合しないので、混合流路の長さを非常に長くしないと混合されない。そのために、混合流路がマイクロ検査チップ上に大きな面積を占め、マイクロ検査チップの小型化やコストダウンの阻害要因となる。また、液体を長い距離送液する必要があるので、送液用のマイクロポンプへの負荷も大きい。
【０００８】
さらに、特許文献６で提案された方法でも、反応チャンバと検出チャンバとが別設されているのでマイクロ検査チップ上に大きなスペースが必要で、マイクロ検査チップの小型化やコストダウンの阻害要因となる。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、複数種類の液体を効率よく混合して反応させ、反応によって得られた生成液から標的物質を検出することができ、小型化やコストダウンに適した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】
【００１０】
本発明の目的は、下記構成により達成することができる。
【００１１】
１．複数種類の液体の混合液を下流に送液するための混合液流路と、
前記混合液流路の下流に連通し、加熱により前記混合液の反応を増幅して生成液を得る増幅部とを備えたマイクロ検査チップにおいて、
前記混合液流路と前記増幅部との連通部は、流路幅が前記混合液流路よりも狭い細流路であり、
前記細流路の最下流部は、前記増幅部の内壁からくちばし状に突出した突起部の先端部に開口していることを特徴とするマイクロ検査チップ。
【００１２】
２．前記増幅部は、前記混合液が全量送液されても、その内壁の側面および上面と前記混合液との間に隙間を有することを特徴とする１に記載のマイクロ検査チップ。
【００１３】
３．前記増幅部の内壁は疎水性であることを特徴とする１または２に記載のマイクロ検査チップ。
【００１４】
４．前記増幅部は、前記生成液に含まれる標的物質を検出するための検出領域を有することを特徴とする１乃至３の何れか１項に記載のマイクロ検査チップ。
【００１５】
５．前記混合液流路の上流に、複数の前記液体を定量して貯留する複数の液体貯留部を備えたことを特徴とする１乃至４の何れか１項に記載のマイクロ検査チップ。
【００１６】
６．１乃至５の何れか１項に記載のマイクロ検査チップと、
前記混合液を送液するマイクロポンプと、
前記混合液を加熱する加熱部と、
前記生成液に含まれる標的物質を検出する検出部とを備えたことを特徴とする検査装置。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、複数種類の液体の混合液を、増幅部内にくちばし状に飛び出した突起部の先端から増幅部内に流入させることで、複数種類の液体を効率よく混合することができる。また、混合液の表面が増幅部の壁面に接しないようにすることで、複数種類の液体を効率よく混合することができる。さらに、増幅部で加熱することにより反応を増幅して生成液を得、増幅部で生液内の標的物質を検出するので、複数種類の液体を効率よく反応させ、得られた生成液から標的物質を検出することができ、小型化やコストダウンに適した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】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
次に、本発明におけるマイクロ検査チップ１００の主要部の構成について、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の主要部の構成を示す模式図である。ここでは、本発明における複数種類の液体が１種類の試薬と１種類の検体との場合を例示するが、それには限らず、試薬と試薬、あるいは複数種類の試薬と検体であってもよい。
【００２６】
図２において、マイクロ検査チップ１００は、試薬貯留部１２１、検体貯留部１３１、混合液流路１４１、増幅部１１１および排気バルブ１５１等の流路で構成される。各流路は、プラスチック等の疎水性材料で形成されるか、流路内面に疎水性コーティングを施すことで疎水性とされることが望ましい。
【００２７】
試薬貯留部１２１には、その上流側および下流側にそれぞれ撥水バルブ１２５ａおよび１２５ｂが設けられている。また、試薬貯留部１２１には試薬注入口１２７が設けられている。試薬注入口１２７から試薬１２３が適量注入されることで、試薬１２３が撥水バルブ１２５ａから１２５ｂまで定量されて満充填される。試薬１２３充填完了後、試薬注入口１２７は、粘着シート等で構成される封止部材１２９により封止される。
【００２８】
検体貯留部１３１についても同様に、検体注入口１３７から検体１３３が適量注入されることで、検体１３３が撥水バルブ１３５ａから１３５ｂまで定量されて満充填される。検体１３３充填完了後、検体注入口１３７は粘着シート等で構成される封止部材１３９により封止される。
【００２９】
試薬貯留部１２１および検体貯留部１３１に貯留された試薬１２３および検体１３３は、試薬貯留部１２１および検体貯留部１３１の上流に位置するマイクロポンプ２１１から送液される駆動液２１６によって、下流へと送液される。試薬貯留部１２１および検体貯留部１３１は、本発明における複数の液体貯留部として機能する。
【００３０】
図２には、試薬１２３および検体１３３が混合液流路１４１の途中まで送液された状態を示している。試薬１２３と検体１３３とは層流として送液されるので、混合液流路１４１内ではあまり混合されない。試薬１２３および検体１３３は、この後、混合液流路１４１から増幅部１１１に送液され、増幅部１１１内で混合、加熱されて反応が促進され、生成液となる。
【００３１】
混合液流路１４１の下流には、細流路１１３が連通しており、細流路１１３の先端は増幅部１１１の内壁１１１ａから増幅部１１１の内側にくちばし状に飛び出した突起部１１５の先端に開口している。試薬１２３および検体１３３は、混合液流路１４１から細流路１１３を経由して突起部１１５の先端から増幅部１１１内に流入する。
【００３２】
次に、本発明の実施の形態について、図３乃至図５を用いて説明する。図３は、増幅部１１１を中心とした本発明の実施の形態の主要な流路の構成を示す模式図で、図３（ａ）はマイクロ検査チップ１００の流路が形成されている面（以下、流路面と言う）側から見た図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ’断面を流路面を下にして示した図である。なお、断面図を併用して説明する都合上、図３以降の流路面側から見た図は、図２の混合液流路１４１より下流の部分を、図２に対して反時計回りに９０度回転して図示する。
【００３３】
図３（ａ）において、上述したように、混合液流路１４１の下流に連通した細流路１１３の先端が、増幅部１１１の内壁１１１ａから増幅部１１１の内側にくちばし状に飛び出した突起部１１５の先端に開口している。増幅部１１１は、角が丸められた概略四角形状であり、突起部１１５と対向する壁面１１１ｂには排気バルブ１５１が設けられている。
【００３４】
増幅部１１１の中央付近には、増幅部１１１で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ための検出領域２５５が設けられている。増幅部１１１および後述する封止シート１９１の少なくとも検出領域２５５の部分は、光が透過できるようになされている。さらに、増幅部１１１の流路面側には、検出領域２５５を避けて、ヒータ等で構成される加熱部２３３が設けられている。
【００３５】
図３（ｂ）において、増幅部１１１のＡ−Ａ’断面は、角が丸められた概略四角形状であり、細流路１１３の先端が突起部１１５の先端に開口している。一方、突起部１１５と対向する壁面１１１ｂには排気バルブ１５１が設けられている。マイクロ検査チップ１００上に形成された各流路は、封止シート１９１によってマイクロ検査チップ１００の流路面側から封止されている。
【００３６】
図３（ａ）で上述したように、増幅部１１１の中央付近には検出領域２５５が設けられ、検出領域２５５を挟んでマイクロ検査チップ１００の両面には、増幅部１１１内で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ための検出部２５０が設けられている。検出部２５０は、例えばマイクロ検査チップ１００の裏面側に配置された光源２５１と、流路面側に配置された受光素子２５３とで構成されている。所謂透過型の構成である。もちろん、光源２５１と受光素子２５３とがマイクロ検査チップ１００の同一側に配置された所謂反射型の構成でもよい。
【００３７】
さらに、増幅部１１１の流路面側には、検出領域２５５を避けて、ヒータ等で構成される加熱部２３３が設けられている。検出部２５０での検出に影響のない透明なヒータであれば、増幅部１１１の流路面側全面に配置してもよい。加熱部２３３は、図１に示した駆動制御部２７０によって駆動され、制御される。
【００３８】
続いて、試薬１２３と検体１３３とが、細流路１１３から増幅部１１１に流入した状態について、図４および図５を用いて説明する。図４は、試薬１２３と検体１３３とが細流路１１３から増幅部１１１に流入した状態を示す模式図で、図４（ａ）はマイクロ検査チップ１００の流路面側から見た図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ’断面を流路面を下にして示した図である。
【００３９】
図４（ａ）および（ｂ）において、混合液流路１４１および細流路１１３内を層流として送液されてきた試薬１２３と検体１３３とは、増幅部１１１内の空気を排気バルブ１５１から排出しながら、突起部１１５の先端に開口した細流路１１３から増幅部１１１内に流入する。増幅部１１１の内壁面は疎水性であり、突起部１１５の先端も疎水性のため、混合液１６１は、試薬１２３と検体１３３との混合液１６１の表面張力によって、突起部１１５の先端から半球状に広がっていく。
【００４０】
増幅部１１１は、試薬貯留部１２１および検体貯留部１３１で定量された試薬１２３と検体１３３との混合液１６１が増幅部１１１内に全量送液されても、混合液１６１の表面が増幅部１１１の内壁面１１１ａおよび１１１ｂや、増幅部１１１の天面１１１ｃに触れないだけの容積を持っている。これによって、混合液１６１の表面張力により混合液１６１に対流が発生して、混合が促進される。
【００４１】
図５は、混合液１６１が増幅部１１１内に全量送液された状態を示す模式図で、図５（ａ）はマイクロ検査チップ１００の流路面側から見た図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ’断面を流路面を下にして示した図である。
【００４２】
図５（ａ）および（ｂ）において、混合液１６１は、定量されたその全量が増幅部１１１内に送液され、半球状の形状を保ったまま、加熱部２３３によって加熱されて反応が増幅され、生成液１６１が得られる。反応によって生成された生成液１６１中の標的物質は、検出部２５０によって光学的に検出される。
【００４３】
上述したように、増幅部１１１は、混合液１６１が全量送液されても、混合液１６１の表面が増幅部１１１の内壁面１１１ａおよび１１１ｂや、増幅部１１１の天面１１１ｃに触れないだけの容積を持っているので、加熱部２３３による加熱により混合液１６１内の反応が増幅される際にも、混合液１６１の表面張力によって混合液１６１の反応が促進される。
【００４４】
なお、本実施の形態においては、マイクロポンプにより駆動液を送液することで、検体や試薬を送液しているが、必ずしもマイクロポンプのような液体用ポンプを用いる必要はなく、空気用ポンプを用いて検体や試薬を直接送液してもよい。
【００４５】
以上に述べたように、本発明の実施の形態によれば、試薬１２３と検体１３３との混合液１６１を、増幅部１１１の内壁１１１ａから増幅部１１１の内側にくちばし状に飛び出した突起部１１５の先端に開口している細流路１１３から増幅部１１１に流入させ、混合液１６１が増幅部の壁面に触れないようにすることで、混合液１６１を素早く混合することができる。
【００４６】
また、増幅部１１１内で加熱部２３３を用いて混合液１６１を加熱することで、混合液１６１を効率よく反応させて生成液１６１を得ることができる。さらに、増幅部１１１内で検出部２５０を用いて生成液１６１内の標的物質を検出するので、反応によって得られた生成液１６１から効率よく標的物質を検出することができる。加えて、以上に述べた混合、加熱、反応、検出の全てを増幅部１１１内で行うので、省スペース化に優れ、マイクロ検査チップの小型化やコストダウンに適している。
【００４７】
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６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６は、マイクロポンプ２１１の構成の１例を示す模式図で、図６（ａ）はピエゾポンプの１例を示した断面図、図６（ｂ）はその上面図、図６（ｃ）はピエゾポンプの他の例を示した断面図である。
【００４８】
図６（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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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６（ａ）のＢ方向）へ送液される。
【００５４】
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６（ａ）のＡ方向）へ送液される。
【００５５】
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。
【００５６】
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６（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。
【００５７】
図６（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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
本発明の実施の形態におけるマイクロ検査チップ１００では、試薬貯留部１２１および検体貯留部１３１の上流と下流とに撥水バルブを設けている。また、細流路１１３についても撥水バルブと同様の構造である。ここで、撥水バルブの構造と動作について、図７を用いて説明する。図７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７（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７（ｂ）は撥水バルブを越えて送液されている状態を示す。
【００６２】
図７（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。
【００６３】
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。
【００６４】
図７（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Ｐ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。
【００６５】
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Ｐ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Ｐ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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
以上に述べたように、本発明によれば、複数種類の液体の混合液を、増幅部内にくちばし状に飛び出した突起部の先端から増幅部内に流入させることで、複数種類の液体を効率よく混合することができる。また、混合液の表面が増幅部の壁面に接しないようにすることで、複数種類の液体を効率よく混合することができる。さらに、増幅部で加熱することにより反応を増幅して生成液を得、増幅部で生液内の標的物質を検出するので、複数種類の液体を効率よく反応させ、得られた生成液から標的物質を検出することができ、小型化やコストダウンに適した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。
【００６９】
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】
【００７０】
【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主要部の構成を示す模式図である。
【図３】増幅部を中心とした本発明の実施の形態の主要な流路の構成を示す模式図である。
【図４】試薬と検体とが細流路から増幅部に流入した状態を示す模式図である。
【図５】混合液が増幅部内に全量送液された状態を示す模式図である。
【図６】マイクロポンプの構成の１例を示す模式図である。
【図７】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】
【００７１】
１ 検査装置
１００ マイクロ検査チップ
１１１ 増幅部
１１１ａ 増幅部壁面
１１１ｂ 増幅部壁面
１１１ｃ 増幅部天面
１１３ 細流路
１１５ 突起部
１２１ 試薬貯留部
１２３ 試薬
１２５ａ 撥水バルブ
１２５ｂ 撥水バルブ
１２７ 試薬注入口
１２９ 封止部材
１３１ 検体貯留部
１３３ 検体
１３５ａ 撥水バルブ
１３５ｂ 撥水バルブ
１３７ 検体注入口
１３９ 封止部材
１４１ 混合液流路
１５１ 排気バルブ
１６１ 混合液または生成液
１９１ 封止シート
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
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】
複数種類の液体の混合液を下流に送液するための混合液流路と、
前記混合液流路の下流に連通し、加熱により前記混合液の反応を増幅して生成液を得る増幅部とを備えたマイクロ検査チップにおいて、
前記混合液流路と前記増幅部との連通部は、流路幅が前記混合液流路よりも狭い細流路であり、
前記細流路の最下流部は、前記増幅部の内壁からくちばし状に突出した突起部の先端部に開口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】
前記増幅部は、前記混合液が全量送液されても、その内壁の側面および上面と前記混合液との間に隙間を有す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】
前記増幅部の内壁は疎水性であることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ検査チップ。
【請求項４】
前記増幅部は、前記生成液に含まれる標的物質を検出するための検出領域を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のマイクロ検査チップ。
【請求項５】
前記混合液流路の上流に、複数の前記液体を定量して貯留する複数の液体貯留部を備えたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のマイクロ検査チップ。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１項に記載のマイクロ検査チップと、
前記混合液を送液するマイクロポンプと、
前記混合液を加熱する加熱部と、
前記生成液に含まれる標的物質を検出する検出部とを備えたことを特徴とする検査装置。
【請求項１】
複数種類の液体の混合液を下流に送液するための混合液流路と、
前記混合液流路の下流に連通し、加熱により前記混合液の反応を増幅して生成液を得る増幅部とを備えたマイクロ検査チップにおいて、
前記混合液流路と前記増幅部との連通部は、流路幅が前記混合液流路よりも狭い細流路であり、
前記細流路の最下流部は、前記増幅部の内壁からくちばし状に突出した突起部の先端部に開口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】
前記増幅部は、前記混合液が全量送液されても、その内壁の側面および上面と前記混合液との間に隙間を有す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】
前記増幅部の内壁は疎水性であることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ検査チップ。
【請求項４】
前記増幅部は、前記生成液に含まれる標的物質を検出するための検出領域を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のマイクロ検査チップ。
【請求項５】
前記混合液流路の上流に、複数の前記液体を定量して貯留する複数の液体貯留部を備えたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のマイクロ検査チップ。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１項に記載のマイクロ検査チップと、
前記混合液を送液するマイクロポンプと、
前記混合液を加熱する加熱部と、
前記生成液に含まれる標的物質を検出する検出部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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−４２１４８（Ｐ２００９−４２１４８Ａ）
【公開日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２０９２１８（Ｐ２００７−２０９２１８）
【出願日】平成１９年８月１０日（２００７．８．１０）
【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２月２６日（２００９．２．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月１０日（２００７．８．１０）
【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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