マイクロ流体チップおよびそれを用いた液体混合方法
【課題】濡れ性の異なる複数種の液体を混合部に導入する場合であっても、安定的に混合させる。
【解決手段】液投入ポート２７から圧力ポート２９までの流路２５途中に設けられ、複数種の液体同士を混合する混合部Ｍを有し、この混合部Ｍが、液投入ポート２７側から順に第１混合部Ｍ１と、第１混合部Ｍ１に接続流路を介して接続される第２混合部Ｍ２と、が直列に配置されなり、第１混合部Ｍ１および第２混合部Ｍ２は、それぞれ液体が流動する方向の垂直断面積が他の流路における垂直断面積に比して大きい少なくとも２つの第１流路部３５（４５）と、この第１流路部３５（４５）より垂直断面積が小さく複数の第１流路部同士を接続する第２流路部３７（４７）とが直列に配列される。そして、第１混合部Ｍ１における第１流路部３５の垂直断面積は第２混合部Ｍ２における第１流路部４５の垂直断面積より小さく、第１混合部Ｍ１における第１流路部３５の流路方向長さＬａは第２混合部Ｍ２における第１流路部４５の流路方向長さＬｂより長く形成されている。
【解決手段】液投入ポート２７から圧力ポート２９までの流路２５途中に設けられ、複数種の液体同士を混合する混合部Ｍを有し、この混合部Ｍが、液投入ポート２７側から順に第１混合部Ｍ１と、第１混合部Ｍ１に接続流路を介して接続される第２混合部Ｍ２と、が直列に配置されなり、第１混合部Ｍ１および第２混合部Ｍ２は、それぞれ液体が流動する方向の垂直断面積が他の流路における垂直断面積に比して大きい少なくとも２つの第１流路部３５（４５）と、この第１流路部３５（４５）より垂直断面積が小さく複数の第１流路部同士を接続する第２流路部３７（４７）とが直列に配列される。そして、第１混合部Ｍ１における第１流路部３５の垂直断面積は第２混合部Ｍ２における第１流路部４５の垂直断面積より小さく、第１混合部Ｍ１における第１流路部３５の流路方向長さＬａは第２混合部Ｍ２における第１流路部４５の流路方向長さＬｂより長く形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路内に導入された複数の液体を、流路内の雰囲気を加減圧することにより混合させつつ流動させるマイクロ流体チップおよびそれを用いた液体混合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液物性（粘度、比重、容量比など）の異なる一定量の複数の液体を簡便に混合するマイクロ流体チップが従来より知られている。例えば、特許文献１には複数の液体を混合させるためのマイクロ流体チップとして、図６（ａ）に示すような流路１に、被混合液体３が流動する方向の断面積を他の流路５における断面積と比べて大きくした第１流路部７と、第１流路部７より断面積が小さい第２流路部９とが交互に形成されているマイクロ流体チップ１１が開示されており、このマイクロ流体チップ１１内で所定量の被混合液体３を往復移動させる液体混合方法が開示されている。なお、図中、１３は液投入ポート、１５は圧力ポートを示す。
【０００３】
また、同文献には、混合効率を上げる、すなわち、より少ない往復移動回数で混合を完了させるためには、第１流路部７の容積を好ましくは液体全体の体積の８０％以上とし、第１流路部７の断面積を第２流路部９の断面積の２倍以上にするとよいことが記載されている。そのため、第１流路部７の幅と長さの関係は、幅を広く、長さを短くすることが望ましいとされている。
【０００４】
このマイクロ流体チップ１１では、図６（ａ）に示すように、液投入ポート１３に複数種の被混合液体３が供給された後、先ず、図６（ｂ）に示すように、シリンジポンプ等の加減圧手段（図示せず）により圧力ポート１５を減圧することで、前段の第１流路部７ａに液体全体を収容し、その後、第２流路部９を通過させて、後段の第１流路部７ｂへ収容する。次いで、圧力ポート１５を加圧することで、図６（ｃ）に示すように、再び第２流路部９を通過させて、前段の第１流路部７ａへ収容する。この動作を数往復繰り返すことで図６（ｄ）に示すように被混合液体３の混合を完了させる。これにより、液物性の異なる複数種の液体を簡便に混合することができた。
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１２１２７５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、図７に示すように、混合効率を上げる目的で幅を広くした第１流路部７に、未混合である被混合液体３を導入し、流路内を往復移動させようとすると、被混合液体３が互いに濡れ性が異なる場合に不具合を生じる。つまり、流路面が乾いた状態から、未混合状態にある被混合液体３Ａ，３Ｂが導入された前段の第１流路部７ａから後段の第１流路部７ｂに各被混合液体３Ａ，３Ｂが移動した際、前段の第１流路部７ａ内の流路面は、各被混合液体３Ａ，３Ｂの濡れ残りが場所によって異なっている。つまり、濡れ性の高い被混合液体３Ｂは流路面に付着したままとなり、濡れ性の低い被混合液体３Ａは流路面に殆ど残らない状態となる。このような状況下では、再び被混合液体３Ａ，３Ｂが戻されたときに各液の挙動が変化する。
【０００７】
この液の挙動について図８を用いて説明する。
図８（ａ）に示した液投入ポート１３に被混合液体３が供給された後、加減圧手段により圧力ポート１５を減圧した際、図８（ｂ）に示すように、前段の第１流路部７ａの流路面は、前述したように場所によって濡れ残り状態が異なり、濡れ性の高い被混合液体３Ｂが通過した流路面の一部に、被混合液体３Ｂの液体成分１７が付着して残る。
【０００８】
次に、図８（ｃ）に示すように、後段の第１流路部７ｂから再度、前段の第１流路部７ａに被混合液体３が相互に混合されつつ移動してきたときに、第１流路部７ａの流路面は、液体成分１７の付着した領域と付着していない領域とが存在し、それぞれの領域で濡れ易さが異なるため、例えば進行方向片側は濡れ易く液が進行し易く、もう片側は濡れ難く液が進行し難い状態になっている。そこに被混合液体３が移動してくると、濡れ易い片側のみを液が進行し、メニスカス曲面液端の進行度合いに差異ｄが生じ、その結果、図８（ｄ）に示すように、先行するメニスカス曲面液端が液投入ポート１３側の流路の入り口に到達して、液が第１流路部７から流れ出し、第１流路部７ａ内に液未充填部（気泡）１９が形成されてしまう不具合が発生した。この問題は被混合液体３の１つの液体３Ｂが血液である場合に顕著に現れた。
【０００９】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、濡れ性の異なる複数種の液体が混合部に導入される場合であっても、混合部内に液未充填部の形成されることが防止できるマイクロ流体チップおよびそれを用いた液体混合方法を提供し、もって、液物性の異なる複数種の液体、或いは固体溶解液を安定的に混合させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１） 基板内に流路が形成された流路基板と、前記流路に接続され複数種の液体を導入する液投入ポートと、前記流路に接続され該流路内を加圧減圧する圧力を供給する圧力ポートと、備えたマイクロ流体チップであって、
前記液投入ポートから前記圧力ポートまでの流路途中に設けられ、前記流路内の液体を該流路内の圧力により流動させて複数種の液体同士を混合する混合部を備え、
前記混合部は、前記液投入ポート側から順に第１混合部と、該第１混合部に接続流路を介して接続される第２混合部とが直列に配置されてなり、
前記第１混合部および第２混合部は、それぞれ前記液体が流動する方向の垂直断面積が他の流路における垂直断面積に比して大きい少なくとも２つの第１流路部と、該第１流路部より垂直断面積が小さく複数の前記第１流路部同士を接続する第２流路部とが直列に配置され、
前記第１混合部における前記第１流路部の垂直断面積が前記第２混合部における前記第１流路部の垂直断面積より小さく、
前記第１混合部における前記第１流路部の流路方向長さが前記第２混合部における前記第１流路部の流路方向長さより長く形成されているマイクロ流体チップ。
【００１１】
このマイクロ流体チップによれば、メニスカス曲面液端の進行度合いに差異の生じ難い第１混合部にて複数種の液体が予備混合される。これにより、混合性能の高い第２混合部において、異なる濡れ性の液体が対向内表面に接触することにより生じる、メニスカス曲面液端の進行度合いの差異が抑制される。
【００１２】
（２） （１）記載のマイクロ流体チップであって、
前記第１混合部の前記第１流路部は、該第１流路部内の液体の液端によって形成されるメニスカスが該第１流路部の軸中心に対して略対称となる程度に細く形成されているマイクロ流体チップ。
【００１３】
このマイクロ流体チップによれば、第１混合部の第１流路部に導入された液体のメニスカスが第１流路部の軸中心に対して略対称となることで、濡れ性の異なる液体が接触する場合であっても、内表面におけるメニスカス曲面液端の進行度合いに大きな差異が発生しなくなる。
【００１４】
（３） （１）または（２）記載のマイクロ流体チップであって、
前記第１混合部における前段の前記第１流路部および後段の前記第１流路部の各容積が、前記液投入ポートから前記流路へ導入された１回分の前記液体全体を収容可能な容積であるマイクロ流体チップ。
【００１５】
このマイクロ流体チップによれば、第１混合部において、前段の第１流路部に液体全体が収容された後、第２流路部を通過して後段の第１流路部へ収容され、広幅流路部と狭幅流路部とを交互に通過することで、オリフィス作用による撹拌が複数回行われ、複数種の液体同士の混合が促進される。
【００１６】
（４） （１）〜（３）のいずれか１項記載のマイクロ流体チップであって、
前記流路の途中に、前記液体が通過することにより溶解する固形状の試薬が保持された固形試薬保持部を備えたマイクロ流体チップ。
【００１７】
このマイクロ流体チップによれば、試薬が流路内表面にチップと一体的に保持され、特に固化試薬が、前段の第１流路部と後段の第１流路部との間に配置されることで、前段、後段の第１流路部を往復する撹拌中の液体に効率良く溶解され、液体との均一な混合が可能となる。
【００１８】
（５） （１）〜（４）のいずれか１項記載のマイクロ流体チップを用い、前記液投入ポートから前記流路に導入した複数種の液体を、前記圧力ポートから圧力を供給することで前記混合部内にて混合する液体混合方法。
【００１９】
この液体混合方法によれば、チップ外部から作用する空圧により、特に、能動的なバルブやポンプを内臓していないシンプルな流路構成にて、液物性の異なる複数の液体、或いは固体溶解液が、混合部内に液未充填部を生じさせることなく安定的に混合される。
【００２０】
（６） （５）記載の液体混合方法であって、
前記第１の混合部における前段の前記第１流路部、前記第２流路部、および後段の前記第１流路部との間で前記液体を往復移動させてから、前記第２の混合部へ送液する液体混合方法。
【００２１】
この液体混合方法によれば、メニスカス曲面液端の進行度合いに差異の生じ難い第１混合部における前段の第１流路部と後段の第１流路部にて複数種の液体が予備混合される。これにより、混合性能の高い第２混合部において、異なる濡れ性の液体が対向内表面に接触することにより生じる、メニスカス曲面液端の進行度合いの差異が抑制される。
【００２２】
（７） （５）または（６）記載の液体混合方法であって、
前記複数の液体は、前記流路内表面に対する濡れ性がそれぞれ異なる液体である液体混合方法。
【００２３】
この液体混合方法によれば、濡れ性の異なる液体が液投入ポートに導入される場合であっても、第１混合部にて予備混合され、混合性能の高い第２混合部において、メニスカス曲面液端の進行度合いの差異が抑制される。
【００２４】
（８） （７）記載の液体混合方法であって、
前記複数の液体は、血液と該血液を溶血する希釈液とを含む液体混合方法。
【００２５】
この液体混合方法によれば、濡れ性の高い血液と、濡れ性の低い希釈液とが液投入ポートに同時に導入される場合であっても、第１混合部にて血液と希釈液とが予備混合され、混合性能の高い第２混合部において、メニスカス曲面液端の進行度合いの差異が抑制され、液未充填部の発生を防止して、血液の均一な希釈が可能となる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係るマイクロ流体チップによれば、第１混合部における第１流路部の垂直断面積を第２混合部における第１流路部の垂直断面積より小さく形成し、第１混合部における第１流路部の流路方向長さを第２混合部における第１流路部の流路方向長さより長く形成したので、メニスカス曲面液端の進行度合いに差異の生じ難い第１混合部にて複数種の液体を予備混合し、混合性能の高い第２混合部においては異なる濡れ性の液体が対向内表面に接触することによるメニスカス曲面液端の進行度合いの差異を抑制できる。これにより、濡れ性の異なる複数液体を混合部に導入する場合であっても、混合部内に液未充填部の形成されることがなく、液物性の異なる複数の液体、或いは固体溶解液を安定的に混合することができる。
【００２７】
本発明に係る液体混合方法によれば、上記のマイクロ流体チップを用い、液投入ポートから流路に導入した複数種の液体を、圧力ポートから圧力を供給することにより混合するので、特に、能動的なバルブやポンプを内臓していないシンプルな流路構成にて、液物性の異なる複数の液体、或いは固体溶解液を安定的に混合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明に係るマイクロ流体チップおよびそれを用いた液体混合方法の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係るマイクロ流体チップの構成図、図２は図１のＡ１−Ａ２断面図である。
マイクロ流体チップ１００は、流路基板２１と、この流路基板２１の一方の面（下面２１ａ）に貼着される蓋材２３とにより構成されている。
流路基板２１の材料は、無機材質、有機材質が利用可能である。流路基板１１に使用される無機材質としては、例えば金属、シリコン、テフロン（登録商標）、ガラス、セラミックスなど、有機材質としてはプラスチック、ゴムなどが挙げられる。
ここで、プラスチックの例としては、ＣＯＰ、ＰＳ、ＰＣ、ＰＭＭＡ、ＰＥ、ＰＥＴ、ＰＰ等を挙げることができる。ゴムの例としては、天然ゴム、合成ゴム、シリコンゴム、ＰＤＭＳ（polydimethylsiloxane）等を挙げることができる。
シリコン含有物質としては、ガラス、石英、シリコンウエファー等のアモルファスシリコン、ポリメチルシロキサンなどのシリコーンが挙げられる。特に好ましい例としては、ＰＭＭＡ、ＣＯＰ、ＰＳ、ＰＣ、ＰＥＴ、ＰＤＭＳ、ガラス、シリコンウエファー等を挙げることができる。
【００２９】
また、流路基板２１は、光透過性を有することが好ましい。光透過性とは、検出に用いる励起光や蛍光の波長において透過性が高く、散乱が小さく、自家蛍光が少ないことである。マイクロ流体チップ１００は、蛍光を検出可能とするこのような光透過性を有することで、検出試薬（例えばサイバーグリーン）との反応によって発する蛍光が測定可能となる。
【００３０】
図２に示す蓋材２３は、流路基板２１の流路面（下面２１ａ）に溝や孔として形成された後述の液投入ポート、流路、圧力ポート等に蓋をして流路を形成するための部材であり、蓋材２３と流路基板２１は接着剤や粘着剤により接合される。蓋材２３としては、流路基板同様、光透過性を有し、耐熱性が高く、化学的に安定であるシート状の高分子ポリマーを用いる。より具体的には、１００μｍの厚みのＰＣＲ用プレートシール（プラスチックフィルムに粘着剤が塗布されたもの）を用いることができる。
【００３１】
流路基板２１は、厚みＴが例えば２ｍｍ程度で形成され、下面２１ａには彫り込み加工あるいは射出成形による一体加工により溝状の流路２５が形成される。また、図１に示すように、流路基板２１には、流路２５の一端に接続され、複数種の液体を導入する透孔状の液投入ポート２７と、流路２５の他端に接続され流路２５内を加圧減圧する圧力ポート２９とが形成されている。液体は、液投入ポート２７に供給されて、圧力ポート２９側へ搬送される。以下の説明では、必要に応じて液投入ポート２７側を上流側、圧力ポート２９側を下流側として表記する。
【００３２】
液体の搬送は、圧力ポート２９に接続されるシリンジポンプ等の加減圧手段３１によって行われる。加減圧手段３１は、圧力ポート２９を減圧又は加圧することにより、予め液投入ポート２７に導入された複数種の液体を、流路２５内の所望位置へ移動制御可能としている。この際、液体は、圧力ポート２９と液体先端部との間を途中で分断されることなく搬送される。
【００３３】
液投入ポート２７と圧力ポート２９までの流路２５の途中には流路２５内の液体を流動させつつ混合する混合部Ｍが設けられ、混合部Ｍは液投入ポート２７側から順に第１混合部Ｍ１と第２混合部Ｍ２とからなる。また、第１混合部Ｍ１と第２混合部Ｍ２との間は接続流路となる第２流路部３７ｂで接続されている。
第１混合部Ｍ１は、液体が流動する方向の垂直断面積が他の流路３３における垂直断面積に比して大きい第１流路部３５と、第１流路部３５より垂直断面積が小さく複数の第１流路部３５同士を接続する第２流路部３７ａとが直列に配置されている。すなわち、上流側から前段の第１流路部３５ａ、前段の第２流路部３７ａ、後段の第１流路部３５ｂ、後段の第２流路部３７ｂの順で配置されている。
【００３４】
また、第２混合部Ｍ２は、液体が流動する方向の垂直断面積が他の流路３３における垂直断面積に比して大きい第１流路部４５と、第１流路部４５より垂直断面積が小さく複数の第１流路部４５同士を接続する第２流路部４７とが直列に配置されている。すなわち、上流側から前段の第１流路部４５ａ、前段の第２流路部４７ａ、後段の第１流路部４５ｂ、後段の第２流路部４７ｂの順で配置されている。
なお、第１混合部Ｍ１、第２混合部Ｍ２の第１流路部は、それぞれ少なくとも２つの第１流路部を備える。図示例では第１流路部を２つ設けた構成としているが、これに限らず、更に多数の第１流路部および第２流路部を設けてもよい。
【００３５】
第１混合部Ｍ１における第１流路部３５の垂直断面積は、第２混合部Ｍ２における第１流路部４５の垂直断面積より小さく形成されている。本実施の形態では、各混合部内の深さ（図１の紙面垂直方向深さ）ｔを同一とし、第１流路部３５の幅Ｗａを、第１流路部４５の幅Ｗｂより小さく（Ｗａ＜Ｗｂ）形成している。また、第１混合部Ｍ１における第１流路部３５の流路方向長さＬａは、第２混合部Ｍ２における第１流路部４５の流路方向長さＬｂより長く（Ｌａ＞Ｌｂ）形成している。本実施の形態では、第１流路部３５、第１流路部４５がｘ方向に沿って形成され、第２流路部３７、第２流路部４７がｙ方向に沿って形成されているが、これに限らず、任意の配置であって構わない。
【００３６】
このように、本実施の形態による混合部Ｍは、第２混合部Ｍ２の前段に第１混合部Ｍ１が設けられている。詳細は後述するが、第１混合部Ｍ１は細長形状とされることで、複数種の互いに濡れ性の異なる液体が未混合状態で流路内に収容された場合に、仮に流路面に濡れ性の高い液体成分が付着して残っても、濡れ性の違いにより形成されるメニスカス曲面液端が流路中心から偏ることが低減される。これにより、混合部内で気泡が発生することが防止できる。
すなわち、本構成によれば、メニスカス曲面液端の進行度合いに差異の生じ難い第１混合部Ｍ１にて複数種の液体が予備混合される。これにより、混合性能の高い第２混合部Ｍ２において、異なる濡れ性の液体が流路面に接触することにより生じる、メニスカス曲面液端の進行度合いの差異が抑制されるようになっている。
【００３７】
また、第１流路部３５における前段の第１流路部３５ａおよび後段の第１流路部３５ｂの各容積は、液投入ポート２７から流路２５へ導入された１回分の液体全体を収容可能な容積とすることが好ましい。また、液体全体の容積の８０％以上であることが好ましい。これにより、第１混合部Ｍ１において、前段の第１流路部３５ａに液体全体が収容された後、前段の第２混合部３７ａを通過して後段の第１流路部３５ｂへ収容され、広幅流路部と狭幅流路部とを交互に通過することで、オリフィス作用による撹拌が複数回行われ、複数種の液体同士の混合を促進させることができる。
【００３８】
次に、マイクロ流体チップ１００の製造方法の一例を説明する。
マイクロ流体チップ１００は、流路基板２１の下面２１ａにマイクロドリルで流路基板を彫り込み加工して製作される。流路２５の形状については、直線状、曲線状など、いずれの形態をとることも可能であるが、直線状であることが好ましい。混合部Ｍの太い拡張部分は六角形、円形、四角形、多角形が望ましい。さらに望ましくは六角形である。こうすることで、流動させる液体同士の拡散の作用が生じ易くなる。液の流動性を良くするために多角形の角部はＲ形状にすることが望ましい。
【００３９】
マイクロドリルで流路２５を作成する場合には、深さは一定で製作するのが効率的であり、この場合、流路２５の断面積の拡縮は流路２５の幅寸法（流路基板２１の平面視において液体の流動方向Ｆに対して垂直な方向の寸法）の拡縮によって行う。送液に伴う液切れ、気泡混入を防ぐために断面積の拡縮は徐々に行うことが望ましく、角部はＲ形状であることが望ましい。流路幅によって拡縮を行う場合拡縮部形状は三角形状であり、広がり角度は９０°以下であることが望ましい。また、流路途中の液残りを最小限にするために、流路２５の底面の角部はＲ形状にすることが望ましい。Ｒ寸法は流路幅の１／１０〜１／２が適当である。
【００４０】
流路２５の内部表面は、親、疎水化処理を施すことが好ましい。水性検体の場合は親水化処理、油性検体の場合、疎水化処理が必要である。親疎水化処理法として、従来の表面処理方法が適用できる。大別して、化学的表面処理法と物理的表面処理法がある。化学的表面処理法としては、薬品処理、カップリング剤による処理、蒸気処理、グラフト化、電気化学的方法、添加剤による表面改質などがある。物理的表面処理法としては、ＵＶ照射、電子線処理、イオンビーム照射、低温プラズマ処理、ＣＡＳＩＮＧ（Crosslinking of Active Species of Innert Gases）処理、グロー、コロナ放電処理、酸素プラズマなどの方法が挙げられる。
【００４１】
次に、上記のマイクロ流体チップ１００を用いて血液と希釈液を混合する手順について説明する。
図３はマイクロ流体チップを用いて血液及び希釈液の混合を行う手順を表した工程説明図、図４は流路幅とメニスカスとの相関を（ａ），（ｂ）で表した説明図である。
まず、図３（ａ）に示すように、液投入ポート２７にピペット等を用いて血液Ｌ１と希釈液Ｌ２を供給し、圧力ポート２９に接続された加減圧手段３１（図１参照）により、流路２５の減圧を開始する。
【００４２】
減圧を開始すると、図３（ｂ）に示すように、比重・粘度が低い希釈液Ｌ２が先に第１混合部Ｍ１の前段の第１流路部３５ａ内に導かれ、次に血液Ｌ１が導かれる。加減圧手段３１による減圧がさらに続くと、図３（ｃ）に示すように、前段の第２混合部３７ａを通過して後段の第１流路部３５ｂに流動した希釈液Ｌ２が、前段の第２混合部３７ａから後段の第１流路部３５ｂに至る流路内部空間の拡張に応じ拡散され、続いて、血液Ｌ１が後段の第１流路部３５ｂにおいて同様に拡散される。
【００４３】
次いで、加減圧手段３１により圧力ポート２９が加圧されると、後段の第１流路部３５ｂに収容された血液Ｌ１と希釈液Ｌ２が、前段の第２混合部３７ａを通過して再び前段の第１流路部３５ａに流動し、前段の第２混合部３７ａから前段の第１流路部３５ａに至る流路内部空間の拡張に応じ拡散される。この動作を数往復繰り返すことで、血液Ｌ１と希釈液Ｌ２に拡散作用が働き、ある程度混合される予備混合が完了する。
【００４４】
このように、混合部Ｍでは、液投入ポート２７から流路２５に導入した複数種の液体（血液Ｌ１、希釈液Ｌ２）を、圧力ポート２９から圧力を供給することで予備混合させる。これにより、液物性の異なる複数の液体、或いは固体溶解液が、第１混合部Ｍ１内にて液未充填部１９（図８参照）を生じさせることなく安定的に混合される。
【００４５】
次いで、予備混合の完了した血液Ｌ１と希釈液Ｌ２とが後段の第１流路部３５ｂに収容された状態で、加減圧手段３１によりさらに減圧を続けると、図３（ｄ）に示すように、予備混合液５３が第２混合部Ｍ２に流動する。予備混合液５３が第２混合部Ｍ２の前段の第１流路部４５ａに収容されている状態で、加減圧手段３１がさらに減圧を開始すると、図３（ｅ）に示すように、予備混合液５３が前段の第２流路部４７ａを通過して後段の第１流路部４５ｂ内に導かれる。
【００４６】
次いで、加減圧手段３１により圧力ポート２９が加圧されると、後段の第１流路部４５ｂに収容された予備混合液５３が、前段の第２流路部４７ａを通過して再び前段の第１流路部４５ａに流動し、前段の第２流路部４７ａから前段の第１流路部４５ａに至る流路内部空間の拡張に応じ拡散される。この動作を数往復繰り返すことで、予備混合液５３は完全に混合が完了する。
【００４７】
このように、マイクロ流体チップ１００では、第１混合部Ｍ１における前段の第１流路部３５ａ、前段の第２混合部３７ａ、および後段の第１流路部３５ｂとの間で液体を往復移動させてから、第２混合部Ｍ２へ送液している。第１混合部Ｍ１の第１、第２流路部３５ａ，３５ｂが細長形状であることにより、双方の液体の濡れ性の違いがあっても気泡を発生させることなく、安定した混合処理を実現している。
【００４８】
この点についてさらに詳細に説明する。図４に、第１流路部の幅（断面積）が大きい場合（ａ）と小さい場合（ｂ）とを比較した様子を示した。第１流路部内の液体は、流路面が異なる濡れ性となっていることから、液体の進行具合が場所によって異なる。つまり、図４（ａ）に示す幅Ｗ１の場合には、液体のメニスカス曲面液端は、一方の端部がｅ１、他方の端部がｅ１より距離Ｌ１だけ進行したｅ２となっており、端部ｅ１とｅ２との差がメニスカス曲面液端の大きな偏りとして現れる。これに対して、図４（ｂ）に示す幅Ｗ２の場合には、第１流路部の幅が小さくなっているために、流路面が異なる濡れ性となっていても、発生するメニスカス曲面液端の偏りが小さくなる。すなわち、端部ｅ１、ｅ２との差が流路幅に比例して短くなり、距離Ｌ２が短くなる。その結果、第１流路部の中で気泡が発生することなく、また、液体が第１流路部から無駄に溢れ出すことなく、安定した予備混合が行える。
つまり、第１混合部Ｍ１の第１流路部３５ａ，３５ｂは、第１流路部３５ａ，３５ｂ内の液体の液端によって形成されるメニスカスが第１流路部３５ａ，３５ｂの軸中心５１に対して略対称となる程度に細く形成されている。ここでいう略対称とは、メニスカスの端部ｅ１，ｅ２との差が、流路幅に対して１／４以下となる程度をいう。好ましくは、第１流路部３５の幅Ｗａと、第１流路部４５の幅Ｗｂとの関係は、Ｗａ＝Ｗｂ／２に設定されるとよい。
【００４９】
なお、メニスカス(meniscus)とは、狭い流路２５内の液体の中央部が、流路内表面に沿う部分に比べて盛り上がったり、または下がったりしてできる曲面を言い、毛管現象によって起こる。また、毛管現象とは、細い流路２５中の液が流路２５に沿って流動しようとする現象で、その度合いは液体の表面張力に比例し、流路２５の断面積に反比例する。また、表面張力とは、液体の表面が自ら収縮してできるだけ小さな面積をとろうとする力で、表面に沿って働く。
【００５０】
マイクロ流体チップ１００では、本実施の形態のように、濡れ性の異なる液体が液投入ポート２７に導入される場合であっても、第１混合部Ｍ１にて予備混合され、混合性能の高い第２混合部Ｍ２において、メニスカス曲面液端の進行度合いの差異が抑制される。特に、本実施の形態のように、複数の液体が、血液Ｌ１と希釈液Ｌ２である場合であっても、第１混合部Ｍ１にて血液Ｌ１と希釈液Ｌ２とが確実に予備混合され、これにより、混合性能の高い第２混合部Ｍ２において、メニスカス曲面液端の進行度合いの差異が抑制され、液未充填部の発生を防止して、血液の均一な希釈が可能となる。
【００５１】
このようにして血液Ｌ１と希釈液Ｌ２とが均一に希釈された混合液体は、不図示の下流側の流路２５へ搬送、或いは圧力ポート２９から導出される。
【００５２】
また、本液体混合方法によれば、マイクロ流体チップ１００を用い、液投入ポート２７から流路２５に導入した複数種の液体を、圧力ポート２９から圧力を供給することにより混合するので、特に、能動的なバルブやポンプを内臓していないシンプルな流路構成にて、液物性の異なる複数の液体、或いは固体溶解液を安定的に混合することができる。
【００５３】
次に、本発明に係るマイクロ流体チップの第２の実施の形態を説明する。
図５は固形試薬保持部を設けた第２の実施の形態に係るマイクロ流体チップの構成図である。なお、図１に示した部材と同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略するものとする。
マイクロ流体チップ２００は、流路２５の途中に固形試薬保持部５７を備えている。本実施の形態において、固形試薬保持部５７は、第１流路部３５ａ、３５ｂの間の流路途中に設けられている。固形試薬保持部５７は、流路基板２１の平面視において流路の拡張を縮小を繰り返す略波状に形成され、拡径部には第１乾燥試薬固定部５７ａ、第２乾燥試薬固定部５７ｂを有する。第１乾燥試薬固定部５７ａ、第２乾燥試薬固定部５７ｂは、液体が通過することにより溶解する固形状の試薬５５をそれぞれ保持する。
【００５４】
試薬５５は、例えばポリミラーゼとデキストリンの水溶解液を点着後、凍結乾燥により乾燥、固化して保持される。この固形試薬保持部５７の上流と下流の流路は、その保持部より細くなっており、乾燥固化した試薬５５の密着力が無い場合でも、マイクロ流体チップ２００の保存、運搬等の振動により固化試薬５５が剥がれ落ちて前後の流路２５へ流出してしまうことを防いでいる。
【００５５】
固形試薬保持部５７は、血液Ｌ１、希釈液Ｌ２を、前段の第１流路部３５ａ、後段の第１流路部３５ｂの間を往復させることにより、試薬５５を溶解し、前記液体に混合する。
【００５６】
したがって、本実施の形態によるマイクロ流体チップ２００によれば、試薬５５が流路内表面にチップと一体的に保持され、特に固化試薬５５が、前段の第１流路部３５ａと後段の第１流路部３５ｂとの間に配置されることで、前段、後段の第１流路部３５ａ，３５ｂを往復する混合中の液体に効率良く溶解され、液体との均一な混合が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明に係るマイクロ流体チップの構成図である。
【図２】図１のＡ１−Ａ２断面図である。
【図３】マイクロ流体チップを用いて血液及び希釈液の混合を行う手順を表した工程説明図である。
【図４】流路幅とメニスカスとの相関を（ａ），（ｂ）で表した説明図である。
【図５】固形試薬保持部を設けた第２の実施の形態に係るマイクロ流体チップの構成図である。
【図６】従来のマイクロ流体チップを用いて混合を行う手順を表した工程説明図である。
【図７】濡れ残りの差異が前段の第１流路部に生じる状況を表した説明図である。
【図８】異常な往復混合動作を表した工程説明図である。
【符号の説明】
【００５８】
２１ 流路基板（基板）
２５ 流路
２７ 液投入ポート
２９ 圧力ポート
３３ 他の流路
３５，４５ 第１流路部
３７，４７ 第２流路部
５１ 第１流路部の軸中心
５５ 試薬
５７ 固形試薬保持部
１００，２００ マイクロ流体チップ
Ｌ１ 血液（複数種の液体）
Ｌ２ 希釈液（複数種の液体）
Ｌａ，Ｌｂ 流路方向長さ
Ｍ 混合部
Ｍ１ 第１混合部
Ｍ２ 第２混合部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路内に導入された複数の液体を、流路内の雰囲気を加減圧することにより混合させつつ流動させるマイクロ流体チップおよびそれを用いた液体混合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液物性（粘度、比重、容量比など）の異なる一定量の複数の液体を簡便に混合するマイクロ流体チップが従来より知られている。例えば、特許文献１には複数の液体を混合させるためのマイクロ流体チップとして、図６（ａ）に示すような流路１に、被混合液体３が流動する方向の断面積を他の流路５における断面積と比べて大きくした第１流路部７と、第１流路部７より断面積が小さい第２流路部９とが交互に形成されているマイクロ流体チップ１１が開示されており、このマイクロ流体チップ１１内で所定量の被混合液体３を往復移動させる液体混合方法が開示されている。なお、図中、１３は液投入ポート、１５は圧力ポートを示す。
【０００３】
また、同文献には、混合効率を上げる、すなわち、より少ない往復移動回数で混合を完了させるためには、第１流路部７の容積を好ましくは液体全体の体積の８０％以上とし、第１流路部７の断面積を第２流路部９の断面積の２倍以上にするとよいことが記載されている。そのため、第１流路部７の幅と長さの関係は、幅を広く、長さを短くすることが望ましいとされている。
【０００４】
このマイクロ流体チップ１１では、図６（ａ）に示すように、液投入ポート１３に複数種の被混合液体３が供給された後、先ず、図６（ｂ）に示すように、シリンジポンプ等の加減圧手段（図示せず）により圧力ポート１５を減圧することで、前段の第１流路部７ａに液体全体を収容し、その後、第２流路部９を通過させて、後段の第１流路部７ｂへ収容する。次いで、圧力ポート１５を加圧することで、図６（ｃ）に示すように、再び第２流路部９を通過させて、前段の第１流路部７ａへ収容する。この動作を数往復繰り返すことで図６（ｄ）に示すように被混合液体３の混合を完了させる。これにより、液物性の異なる複数種の液体を簡便に混合することができた。
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１２１２７５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、図７に示すように、混合効率を上げる目的で幅を広くした第１流路部７に、未混合である被混合液体３を導入し、流路内を往復移動させようとすると、被混合液体３が互いに濡れ性が異なる場合に不具合を生じる。つまり、流路面が乾いた状態から、未混合状態にある被混合液体３Ａ，３Ｂが導入された前段の第１流路部７ａから後段の第１流路部７ｂに各被混合液体３Ａ，３Ｂが移動した際、前段の第１流路部７ａ内の流路面は、各被混合液体３Ａ，３Ｂの濡れ残りが場所によって異なっている。つまり、濡れ性の高い被混合液体３Ｂは流路面に付着したままとなり、濡れ性の低い被混合液体３Ａは流路面に殆ど残らない状態となる。このような状況下では、再び被混合液体３Ａ，３Ｂが戻されたときに各液の挙動が変化する。
【０００７】
この液の挙動について図８を用いて説明する。
図８（ａ）に示した液投入ポート１３に被混合液体３が供給された後、加減圧手段により圧力ポート１５を減圧した際、図８（ｂ）に示すように、前段の第１流路部７ａの流路面は、前述したように場所によって濡れ残り状態が異なり、濡れ性の高い被混合液体３Ｂが通過した流路面の一部に、被混合液体３Ｂの液体成分１７が付着して残る。
【０００８】
次に、図８（ｃ）に示すように、後段の第１流路部７ｂから再度、前段の第１流路部７ａに被混合液体３が相互に混合されつつ移動してきたときに、第１流路部７ａの流路面は、液体成分１７の付着した領域と付着していない領域とが存在し、それぞれの領域で濡れ易さが異なるため、例えば進行方向片側は濡れ易く液が進行し易く、もう片側は濡れ難く液が進行し難い状態になっている。そこに被混合液体３が移動してくると、濡れ易い片側のみを液が進行し、メニスカス曲面液端の進行度合いに差異ｄが生じ、その結果、図８（ｄ）に示すように、先行するメニスカス曲面液端が液投入ポート１３側の流路の入り口に到達して、液が第１流路部７から流れ出し、第１流路部７ａ内に液未充填部（気泡）１９が形成されてしまう不具合が発生した。この問題は被混合液体３の１つの液体３Ｂが血液である場合に顕著に現れた。
【０００９】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、濡れ性の異なる複数種の液体が混合部に導入される場合であっても、混合部内に液未充填部の形成されることが防止できるマイクロ流体チップおよびそれを用いた液体混合方法を提供し、もって、液物性の異なる複数種の液体、或いは固体溶解液を安定的に混合させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１） 基板内に流路が形成された流路基板と、前記流路に接続され複数種の液体を導入する液投入ポートと、前記流路に接続され該流路内を加圧減圧する圧力を供給する圧力ポートと、備えたマイクロ流体チップであって、
前記液投入ポートから前記圧力ポートまでの流路途中に設けられ、前記流路内の液体を該流路内の圧力により流動させて複数種の液体同士を混合する混合部を備え、
前記混合部は、前記液投入ポート側から順に第１混合部と、該第１混合部に接続流路を介して接続される第２混合部とが直列に配置されてなり、
前記第１混合部および第２混合部は、それぞれ前記液体が流動する方向の垂直断面積が他の流路における垂直断面積に比して大きい少なくとも２つの第１流路部と、該第１流路部より垂直断面積が小さく複数の前記第１流路部同士を接続する第２流路部とが直列に配置され、
前記第１混合部における前記第１流路部の垂直断面積が前記第２混合部における前記第１流路部の垂直断面積より小さく、
前記第１混合部における前記第１流路部の流路方向長さが前記第２混合部における前記第１流路部の流路方向長さより長く形成されているマイクロ流体チップ。
【００１１】
このマイクロ流体チップによれば、メニスカス曲面液端の進行度合いに差異の生じ難い第１混合部にて複数種の液体が予備混合される。これにより、混合性能の高い第２混合部において、異なる濡れ性の液体が対向内表面に接触することにより生じる、メニスカス曲面液端の進行度合いの差異が抑制される。
【００１２】
（２） （１）記載のマイクロ流体チップであって、
前記第１混合部の前記第１流路部は、該第１流路部内の液体の液端によって形成されるメニスカスが該第１流路部の軸中心に対して略対称となる程度に細く形成されているマイクロ流体チップ。
【００１３】
このマイクロ流体チップによれば、第１混合部の第１流路部に導入された液体のメニスカスが第１流路部の軸中心に対して略対称となることで、濡れ性の異なる液体が接触する場合であっても、内表面におけるメニスカス曲面液端の進行度合いに大きな差異が発生しなくなる。
【００１４】
（３） （１）または（２）記載のマイクロ流体チップであって、
前記第１混合部における前段の前記第１流路部および後段の前記第１流路部の各容積が、前記液投入ポートから前記流路へ導入された１回分の前記液体全体を収容可能な容積であるマイクロ流体チップ。
【００１５】
このマイクロ流体チップによれば、第１混合部において、前段の第１流路部に液体全体が収容された後、第２流路部を通過して後段の第１流路部へ収容され、広幅流路部と狭幅流路部とを交互に通過することで、オリフィス作用による撹拌が複数回行われ、複数種の液体同士の混合が促進される。
【００１６】
（４） （１）〜（３）のいずれか１項記載のマイクロ流体チップであって、
前記流路の途中に、前記液体が通過することにより溶解する固形状の試薬が保持された固形試薬保持部を備えたマイクロ流体チップ。
【００１７】
このマイクロ流体チップによれば、試薬が流路内表面にチップと一体的に保持され、特に固化試薬が、前段の第１流路部と後段の第１流路部との間に配置されることで、前段、後段の第１流路部を往復する撹拌中の液体に効率良く溶解され、液体との均一な混合が可能となる。
【００１８】
（５） （１）〜（４）のいずれか１項記載のマイクロ流体チップを用い、前記液投入ポートから前記流路に導入した複数種の液体を、前記圧力ポートから圧力を供給することで前記混合部内にて混合する液体混合方法。
【００１９】
この液体混合方法によれば、チップ外部から作用する空圧により、特に、能動的なバルブやポンプを内臓していないシンプルな流路構成にて、液物性の異なる複数の液体、或いは固体溶解液が、混合部内に液未充填部を生じさせることなく安定的に混合される。
【００２０】
（６） （５）記載の液体混合方法であって、
前記第１の混合部における前段の前記第１流路部、前記第２流路部、および後段の前記第１流路部との間で前記液体を往復移動させてから、前記第２の混合部へ送液する液体混合方法。
【００２１】
この液体混合方法によれば、メニスカス曲面液端の進行度合いに差異の生じ難い第１混合部における前段の第１流路部と後段の第１流路部にて複数種の液体が予備混合される。これにより、混合性能の高い第２混合部において、異なる濡れ性の液体が対向内表面に接触することにより生じる、メニスカス曲面液端の進行度合いの差異が抑制される。
【００２２】
（７） （５）または（６）記載の液体混合方法であって、
前記複数の液体は、前記流路内表面に対する濡れ性がそれぞれ異なる液体である液体混合方法。
【００２３】
この液体混合方法によれば、濡れ性の異なる液体が液投入ポートに導入される場合であっても、第１混合部にて予備混合され、混合性能の高い第２混合部において、メニスカス曲面液端の進行度合いの差異が抑制される。
【００２４】
（８） （７）記載の液体混合方法であって、
前記複数の液体は、血液と該血液を溶血する希釈液とを含む液体混合方法。
【００２５】
この液体混合方法によれば、濡れ性の高い血液と、濡れ性の低い希釈液とが液投入ポートに同時に導入される場合であっても、第１混合部にて血液と希釈液とが予備混合され、混合性能の高い第２混合部において、メニスカス曲面液端の進行度合いの差異が抑制され、液未充填部の発生を防止して、血液の均一な希釈が可能となる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係るマイクロ流体チップによれば、第１混合部における第１流路部の垂直断面積を第２混合部における第１流路部の垂直断面積より小さく形成し、第１混合部における第１流路部の流路方向長さを第２混合部における第１流路部の流路方向長さより長く形成したので、メニスカス曲面液端の進行度合いに差異の生じ難い第１混合部にて複数種の液体を予備混合し、混合性能の高い第２混合部においては異なる濡れ性の液体が対向内表面に接触することによるメニスカス曲面液端の進行度合いの差異を抑制できる。これにより、濡れ性の異なる複数液体を混合部に導入する場合であっても、混合部内に液未充填部の形成されることがなく、液物性の異なる複数の液体、或いは固体溶解液を安定的に混合することができる。
【００２７】
本発明に係る液体混合方法によれば、上記のマイクロ流体チップを用い、液投入ポートから流路に導入した複数種の液体を、圧力ポートから圧力を供給することにより混合するので、特に、能動的なバルブやポンプを内臓していないシンプルな流路構成にて、液物性の異なる複数の液体、或いは固体溶解液を安定的に混合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明に係るマイクロ流体チップおよびそれを用いた液体混合方法の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係るマイクロ流体チップの構成図、図２は図１のＡ１−Ａ２断面図である。
マイクロ流体チップ１００は、流路基板２１と、この流路基板２１の一方の面（下面２１ａ）に貼着される蓋材２３とにより構成されている。
流路基板２１の材料は、無機材質、有機材質が利用可能である。流路基板１１に使用される無機材質としては、例えば金属、シリコン、テフロン（登録商標）、ガラス、セラミックスなど、有機材質としてはプラスチック、ゴムなどが挙げられる。
ここで、プラスチックの例としては、ＣＯＰ、ＰＳ、ＰＣ、ＰＭＭＡ、ＰＥ、ＰＥＴ、ＰＰ等を挙げることができる。ゴムの例としては、天然ゴム、合成ゴム、シリコンゴム、ＰＤＭＳ（polydimethylsiloxane）等を挙げることができる。
シリコン含有物質としては、ガラス、石英、シリコンウエファー等のアモルファスシリコン、ポリメチルシロキサンなどのシリコーンが挙げられる。特に好ましい例としては、ＰＭＭＡ、ＣＯＰ、ＰＳ、ＰＣ、ＰＥＴ、ＰＤＭＳ、ガラス、シリコンウエファー等を挙げることができる。
【００２９】
また、流路基板２１は、光透過性を有することが好ましい。光透過性とは、検出に用いる励起光や蛍光の波長において透過性が高く、散乱が小さく、自家蛍光が少ないことである。マイクロ流体チップ１００は、蛍光を検出可能とするこのような光透過性を有することで、検出試薬（例えばサイバーグリーン）との反応によって発する蛍光が測定可能となる。
【００３０】
図２に示す蓋材２３は、流路基板２１の流路面（下面２１ａ）に溝や孔として形成された後述の液投入ポート、流路、圧力ポート等に蓋をして流路を形成するための部材であり、蓋材２３と流路基板２１は接着剤や粘着剤により接合される。蓋材２３としては、流路基板同様、光透過性を有し、耐熱性が高く、化学的に安定であるシート状の高分子ポリマーを用いる。より具体的には、１００μｍの厚みのＰＣＲ用プレートシール（プラスチックフィルムに粘着剤が塗布されたもの）を用いることができる。
【００３１】
流路基板２１は、厚みＴが例えば２ｍｍ程度で形成され、下面２１ａには彫り込み加工あるいは射出成形による一体加工により溝状の流路２５が形成される。また、図１に示すように、流路基板２１には、流路２５の一端に接続され、複数種の液体を導入する透孔状の液投入ポート２７と、流路２５の他端に接続され流路２５内を加圧減圧する圧力ポート２９とが形成されている。液体は、液投入ポート２７に供給されて、圧力ポート２９側へ搬送される。以下の説明では、必要に応じて液投入ポート２７側を上流側、圧力ポート２９側を下流側として表記する。
【００３２】
液体の搬送は、圧力ポート２９に接続されるシリンジポンプ等の加減圧手段３１によって行われる。加減圧手段３１は、圧力ポート２９を減圧又は加圧することにより、予め液投入ポート２７に導入された複数種の液体を、流路２５内の所望位置へ移動制御可能としている。この際、液体は、圧力ポート２９と液体先端部との間を途中で分断されることなく搬送される。
【００３３】
液投入ポート２７と圧力ポート２９までの流路２５の途中には流路２５内の液体を流動させつつ混合する混合部Ｍが設けられ、混合部Ｍは液投入ポート２７側から順に第１混合部Ｍ１と第２混合部Ｍ２とからなる。また、第１混合部Ｍ１と第２混合部Ｍ２との間は接続流路となる第２流路部３７ｂで接続されている。
第１混合部Ｍ１は、液体が流動する方向の垂直断面積が他の流路３３における垂直断面積に比して大きい第１流路部３５と、第１流路部３５より垂直断面積が小さく複数の第１流路部３５同士を接続する第２流路部３７ａとが直列に配置されている。すなわち、上流側から前段の第１流路部３５ａ、前段の第２流路部３７ａ、後段の第１流路部３５ｂ、後段の第２流路部３７ｂの順で配置されている。
【００３４】
また、第２混合部Ｍ２は、液体が流動する方向の垂直断面積が他の流路３３における垂直断面積に比して大きい第１流路部４５と、第１流路部４５より垂直断面積が小さく複数の第１流路部４５同士を接続する第２流路部４７とが直列に配置されている。すなわち、上流側から前段の第１流路部４５ａ、前段の第２流路部４７ａ、後段の第１流路部４５ｂ、後段の第２流路部４７ｂの順で配置されている。
なお、第１混合部Ｍ１、第２混合部Ｍ２の第１流路部は、それぞれ少なくとも２つの第１流路部を備える。図示例では第１流路部を２つ設けた構成としているが、これに限らず、更に多数の第１流路部および第２流路部を設けてもよい。
【００３５】
第１混合部Ｍ１における第１流路部３５の垂直断面積は、第２混合部Ｍ２における第１流路部４５の垂直断面積より小さく形成されている。本実施の形態では、各混合部内の深さ（図１の紙面垂直方向深さ）ｔを同一とし、第１流路部３５の幅Ｗａを、第１流路部４５の幅Ｗｂより小さく（Ｗａ＜Ｗｂ）形成している。また、第１混合部Ｍ１における第１流路部３５の流路方向長さＬａは、第２混合部Ｍ２における第１流路部４５の流路方向長さＬｂより長く（Ｌａ＞Ｌｂ）形成している。本実施の形態では、第１流路部３５、第１流路部４５がｘ方向に沿って形成され、第２流路部３７、第２流路部４７がｙ方向に沿って形成されているが、これに限らず、任意の配置であって構わない。
【００３６】
このように、本実施の形態による混合部Ｍは、第２混合部Ｍ２の前段に第１混合部Ｍ１が設けられている。詳細は後述するが、第１混合部Ｍ１は細長形状とされることで、複数種の互いに濡れ性の異なる液体が未混合状態で流路内に収容された場合に、仮に流路面に濡れ性の高い液体成分が付着して残っても、濡れ性の違いにより形成されるメニスカス曲面液端が流路中心から偏ることが低減される。これにより、混合部内で気泡が発生することが防止できる。
すなわち、本構成によれば、メニスカス曲面液端の進行度合いに差異の生じ難い第１混合部Ｍ１にて複数種の液体が予備混合される。これにより、混合性能の高い第２混合部Ｍ２において、異なる濡れ性の液体が流路面に接触することにより生じる、メニスカス曲面液端の進行度合いの差異が抑制されるようになっている。
【００３７】
また、第１流路部３５における前段の第１流路部３５ａおよび後段の第１流路部３５ｂの各容積は、液投入ポート２７から流路２５へ導入された１回分の液体全体を収容可能な容積とすることが好ましい。また、液体全体の容積の８０％以上であることが好ましい。これにより、第１混合部Ｍ１において、前段の第１流路部３５ａに液体全体が収容された後、前段の第２混合部３７ａを通過して後段の第１流路部３５ｂへ収容され、広幅流路部と狭幅流路部とを交互に通過することで、オリフィス作用による撹拌が複数回行われ、複数種の液体同士の混合を促進させることができる。
【００３８】
次に、マイクロ流体チップ１００の製造方法の一例を説明する。
マイクロ流体チップ１００は、流路基板２１の下面２１ａにマイクロドリルで流路基板を彫り込み加工して製作される。流路２５の形状については、直線状、曲線状など、いずれの形態をとることも可能であるが、直線状であることが好ましい。混合部Ｍの太い拡張部分は六角形、円形、四角形、多角形が望ましい。さらに望ましくは六角形である。こうすることで、流動させる液体同士の拡散の作用が生じ易くなる。液の流動性を良くするために多角形の角部はＲ形状にすることが望ましい。
【００３９】
マイクロドリルで流路２５を作成する場合には、深さは一定で製作するのが効率的であり、この場合、流路２５の断面積の拡縮は流路２５の幅寸法（流路基板２１の平面視において液体の流動方向Ｆに対して垂直な方向の寸法）の拡縮によって行う。送液に伴う液切れ、気泡混入を防ぐために断面積の拡縮は徐々に行うことが望ましく、角部はＲ形状であることが望ましい。流路幅によって拡縮を行う場合拡縮部形状は三角形状であり、広がり角度は９０°以下であることが望ましい。また、流路途中の液残りを最小限にするために、流路２５の底面の角部はＲ形状にすることが望ましい。Ｒ寸法は流路幅の１／１０〜１／２が適当である。
【００４０】
流路２５の内部表面は、親、疎水化処理を施すことが好ましい。水性検体の場合は親水化処理、油性検体の場合、疎水化処理が必要である。親疎水化処理法として、従来の表面処理方法が適用できる。大別して、化学的表面処理法と物理的表面処理法がある。化学的表面処理法としては、薬品処理、カップリング剤による処理、蒸気処理、グラフト化、電気化学的方法、添加剤による表面改質などがある。物理的表面処理法としては、ＵＶ照射、電子線処理、イオンビーム照射、低温プラズマ処理、ＣＡＳＩＮＧ（Crosslinking of Active Species of Innert Gases）処理、グロー、コロナ放電処理、酸素プラズマなどの方法が挙げられる。
【００４１】
次に、上記のマイクロ流体チップ１００を用いて血液と希釈液を混合する手順について説明する。
図３はマイクロ流体チップを用いて血液及び希釈液の混合を行う手順を表した工程説明図、図４は流路幅とメニスカスとの相関を（ａ），（ｂ）で表した説明図である。
まず、図３（ａ）に示すように、液投入ポート２７にピペット等を用いて血液Ｌ１と希釈液Ｌ２を供給し、圧力ポート２９に接続された加減圧手段３１（図１参照）により、流路２５の減圧を開始する。
【００４２】
減圧を開始すると、図３（ｂ）に示すように、比重・粘度が低い希釈液Ｌ２が先に第１混合部Ｍ１の前段の第１流路部３５ａ内に導かれ、次に血液Ｌ１が導かれる。加減圧手段３１による減圧がさらに続くと、図３（ｃ）に示すように、前段の第２混合部３７ａを通過して後段の第１流路部３５ｂに流動した希釈液Ｌ２が、前段の第２混合部３７ａから後段の第１流路部３５ｂに至る流路内部空間の拡張に応じ拡散され、続いて、血液Ｌ１が後段の第１流路部３５ｂにおいて同様に拡散される。
【００４３】
次いで、加減圧手段３１により圧力ポート２９が加圧されると、後段の第１流路部３５ｂに収容された血液Ｌ１と希釈液Ｌ２が、前段の第２混合部３７ａを通過して再び前段の第１流路部３５ａに流動し、前段の第２混合部３７ａから前段の第１流路部３５ａに至る流路内部空間の拡張に応じ拡散される。この動作を数往復繰り返すことで、血液Ｌ１と希釈液Ｌ２に拡散作用が働き、ある程度混合される予備混合が完了する。
【００４４】
このように、混合部Ｍでは、液投入ポート２７から流路２５に導入した複数種の液体（血液Ｌ１、希釈液Ｌ２）を、圧力ポート２９から圧力を供給することで予備混合させる。これにより、液物性の異なる複数の液体、或いは固体溶解液が、第１混合部Ｍ１内にて液未充填部１９（図８参照）を生じさせることなく安定的に混合される。
【００４５】
次いで、予備混合の完了した血液Ｌ１と希釈液Ｌ２とが後段の第１流路部３５ｂに収容された状態で、加減圧手段３１によりさらに減圧を続けると、図３（ｄ）に示すように、予備混合液５３が第２混合部Ｍ２に流動する。予備混合液５３が第２混合部Ｍ２の前段の第１流路部４５ａに収容されている状態で、加減圧手段３１がさらに減圧を開始すると、図３（ｅ）に示すように、予備混合液５３が前段の第２流路部４７ａを通過して後段の第１流路部４５ｂ内に導かれる。
【００４６】
次いで、加減圧手段３１により圧力ポート２９が加圧されると、後段の第１流路部４５ｂに収容された予備混合液５３が、前段の第２流路部４７ａを通過して再び前段の第１流路部４５ａに流動し、前段の第２流路部４７ａから前段の第１流路部４５ａに至る流路内部空間の拡張に応じ拡散される。この動作を数往復繰り返すことで、予備混合液５３は完全に混合が完了する。
【００４７】
このように、マイクロ流体チップ１００では、第１混合部Ｍ１における前段の第１流路部３５ａ、前段の第２混合部３７ａ、および後段の第１流路部３５ｂとの間で液体を往復移動させてから、第２混合部Ｍ２へ送液している。第１混合部Ｍ１の第１、第２流路部３５ａ，３５ｂが細長形状であることにより、双方の液体の濡れ性の違いがあっても気泡を発生させることなく、安定した混合処理を実現している。
【００４８】
この点についてさらに詳細に説明する。図４に、第１流路部の幅（断面積）が大きい場合（ａ）と小さい場合（ｂ）とを比較した様子を示した。第１流路部内の液体は、流路面が異なる濡れ性となっていることから、液体の進行具合が場所によって異なる。つまり、図４（ａ）に示す幅Ｗ１の場合には、液体のメニスカス曲面液端は、一方の端部がｅ１、他方の端部がｅ１より距離Ｌ１だけ進行したｅ２となっており、端部ｅ１とｅ２との差がメニスカス曲面液端の大きな偏りとして現れる。これに対して、図４（ｂ）に示す幅Ｗ２の場合には、第１流路部の幅が小さくなっているために、流路面が異なる濡れ性となっていても、発生するメニスカス曲面液端の偏りが小さくなる。すなわち、端部ｅ１、ｅ２との差が流路幅に比例して短くなり、距離Ｌ２が短くなる。その結果、第１流路部の中で気泡が発生することなく、また、液体が第１流路部から無駄に溢れ出すことなく、安定した予備混合が行える。
つまり、第１混合部Ｍ１の第１流路部３５ａ，３５ｂは、第１流路部３５ａ，３５ｂ内の液体の液端によって形成されるメニスカスが第１流路部３５ａ，３５ｂの軸中心５１に対して略対称となる程度に細く形成されている。ここでいう略対称とは、メニスカスの端部ｅ１，ｅ２との差が、流路幅に対して１／４以下となる程度をいう。好ましくは、第１流路部３５の幅Ｗａと、第１流路部４５の幅Ｗｂとの関係は、Ｗａ＝Ｗｂ／２に設定されるとよい。
【００４９】
なお、メニスカス(meniscus)とは、狭い流路２５内の液体の中央部が、流路内表面に沿う部分に比べて盛り上がったり、または下がったりしてできる曲面を言い、毛管現象によって起こる。また、毛管現象とは、細い流路２５中の液が流路２５に沿って流動しようとする現象で、その度合いは液体の表面張力に比例し、流路２５の断面積に反比例する。また、表面張力とは、液体の表面が自ら収縮してできるだけ小さな面積をとろうとする力で、表面に沿って働く。
【００５０】
マイクロ流体チップ１００では、本実施の形態のように、濡れ性の異なる液体が液投入ポート２７に導入される場合であっても、第１混合部Ｍ１にて予備混合され、混合性能の高い第２混合部Ｍ２において、メニスカス曲面液端の進行度合いの差異が抑制される。特に、本実施の形態のように、複数の液体が、血液Ｌ１と希釈液Ｌ２である場合であっても、第１混合部Ｍ１にて血液Ｌ１と希釈液Ｌ２とが確実に予備混合され、これにより、混合性能の高い第２混合部Ｍ２において、メニスカス曲面液端の進行度合いの差異が抑制され、液未充填部の発生を防止して、血液の均一な希釈が可能となる。
【００５１】
このようにして血液Ｌ１と希釈液Ｌ２とが均一に希釈された混合液体は、不図示の下流側の流路２５へ搬送、或いは圧力ポート２９から導出される。
【００５２】
また、本液体混合方法によれば、マイクロ流体チップ１００を用い、液投入ポート２７から流路２５に導入した複数種の液体を、圧力ポート２９から圧力を供給することにより混合するので、特に、能動的なバルブやポンプを内臓していないシンプルな流路構成にて、液物性の異なる複数の液体、或いは固体溶解液を安定的に混合することができる。
【００５３】
次に、本発明に係るマイクロ流体チップの第２の実施の形態を説明する。
図５は固形試薬保持部を設けた第２の実施の形態に係るマイクロ流体チップの構成図である。なお、図１に示した部材と同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略するものとする。
マイクロ流体チップ２００は、流路２５の途中に固形試薬保持部５７を備えている。本実施の形態において、固形試薬保持部５７は、第１流路部３５ａ、３５ｂの間の流路途中に設けられている。固形試薬保持部５７は、流路基板２１の平面視において流路の拡張を縮小を繰り返す略波状に形成され、拡径部には第１乾燥試薬固定部５７ａ、第２乾燥試薬固定部５７ｂを有する。第１乾燥試薬固定部５７ａ、第２乾燥試薬固定部５７ｂは、液体が通過することにより溶解する固形状の試薬５５をそれぞれ保持する。
【００５４】
試薬５５は、例えばポリミラーゼとデキストリンの水溶解液を点着後、凍結乾燥により乾燥、固化して保持される。この固形試薬保持部５７の上流と下流の流路は、その保持部より細くなっており、乾燥固化した試薬５５の密着力が無い場合でも、マイクロ流体チップ２００の保存、運搬等の振動により固化試薬５５が剥がれ落ちて前後の流路２５へ流出してしまうことを防いでいる。
【００５５】
固形試薬保持部５７は、血液Ｌ１、希釈液Ｌ２を、前段の第１流路部３５ａ、後段の第１流路部３５ｂの間を往復させることにより、試薬５５を溶解し、前記液体に混合する。
【００５６】
したがって、本実施の形態によるマイクロ流体チップ２００によれば、試薬５５が流路内表面にチップと一体的に保持され、特に固化試薬５５が、前段の第１流路部３５ａと後段の第１流路部３５ｂとの間に配置されることで、前段、後段の第１流路部３５ａ，３５ｂを往復する混合中の液体に効率良く溶解され、液体との均一な混合が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明に係るマイクロ流体チップの構成図である。
【図２】図１のＡ１−Ａ２断面図である。
【図３】マイクロ流体チップを用いて血液及び希釈液の混合を行う手順を表した工程説明図である。
【図４】流路幅とメニスカスとの相関を（ａ），（ｂ）で表した説明図である。
【図５】固形試薬保持部を設けた第２の実施の形態に係るマイクロ流体チップの構成図である。
【図６】従来のマイクロ流体チップを用いて混合を行う手順を表した工程説明図である。
【図７】濡れ残りの差異が前段の第１流路部に生じる状況を表した説明図である。
【図８】異常な往復混合動作を表した工程説明図である。
【符号の説明】
【００５８】
２１ 流路基板（基板）
２５ 流路
２７ 液投入ポート
２９ 圧力ポート
３３ 他の流路
３５，４５ 第１流路部
３７，４７ 第２流路部
５１ 第１流路部の軸中心
５５ 試薬
５７ 固形試薬保持部
１００，２００ マイクロ流体チップ
Ｌ１ 血液（複数種の液体）
Ｌ２ 希釈液（複数種の液体）
Ｌａ，Ｌｂ 流路方向長さ
Ｍ 混合部
Ｍ１ 第１混合部
Ｍ２ 第２混合部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板内に流路が形成された流路基板と、前記流路に接続され複数種の液体を導入する液投入ポートと、前記流路に接続され該流路内を加圧減圧する圧力を供給する圧力ポートと、備えたマイクロ流体チップであって、
前記液投入ポートから前記圧力ポートまでの流路途中に設けられ、前記流路内の液体を該流路内の圧力により流動させて複数種の液体同士を混合する混合部を備え、
前記混合部は、前記液投入ポート側から順に第１混合部と、該第１混合部に接続流路を介して接続される第２混合部とが直列に配置されてなり、
前記第１混合部および第２混合部は、それぞれ前記液体が流動する方向の垂直断面積が他の流路における垂直断面積に比して大きい少なくとも２つの第１流路部と、該第１流路部より垂直断面積が小さく複数の前記第１流路部同士を接続する第２流路部とが直列に配置され、
前記第１混合部における前記第１流路部の垂直断面積が前記第２混合部における前記第１流路部の垂直断面積より小さく、
前記第１混合部における前記第１流路部の流路方向長さが前記第２混合部における前記第１流路部の流路方向長さより長く形成されているマイクロ流体チップ。
【請求項２】
請求項１記載のマイクロ流体チップであって、
前記第１混合部の前記第１流路部は、該第１流路部内の液体の液端によって形成されるメニスカスが該第１流路部の軸中心に対して略対称となる程度に細く形成されているマイクロ流体チップ。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載のマイクロ流体チップであって、
前記第１混合部における前段の前記第１流路部および後段の前記第１流路部の各容積が、前記液投入ポートから前記流路へ導入された１回分の前記液体全体を収容可能な容積であるマイクロ流体チップ。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項記載のマイクロ流体チップであって、
前記流路の途中に、前記液体が通過することにより溶解する固形状の試薬が保持された固形試薬保持部を備えたマイクロ流体チップ。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか１項記載のマイクロ流体チップを用い、前記液投入ポートから前記流路に導入した複数種の液体を、前記圧力ポートから圧力を供給することで前記混合部内にて混合する液体混合方法。
【請求項６】
請求項５記載の液体混合方法であって、
前記第１の混合部における少なくとも前段の前記第１流路部、前記第２流路部、および後段の前記第１流路部との間で前記液体を往復移動させてから、前記第２の混合部へ送液する液体混合方法。
【請求項７】
請求項５または請求項６記載の液体混合方法であって、
前記複数の液体は、前記流路内表面に対する濡れ性がそれぞれ異なる液体である液体混合方法。
【請求項８】
請求項７記載の液体混合方法であって、
前記複数の液体は、血液と該血液を溶血する希釈液とを含む液体混合方法。
【請求項１】
基板内に流路が形成された流路基板と、前記流路に接続され複数種の液体を導入する液投入ポートと、前記流路に接続され該流路内を加圧減圧する圧力を供給する圧力ポートと、備えたマイクロ流体チップであって、
前記液投入ポートから前記圧力ポートまでの流路途中に設けられ、前記流路内の液体を該流路内の圧力により流動させて複数種の液体同士を混合する混合部を備え、
前記混合部は、前記液投入ポート側から順に第１混合部と、該第１混合部に接続流路を介して接続される第２混合部とが直列に配置されてなり、
前記第１混合部および第２混合部は、それぞれ前記液体が流動する方向の垂直断面積が他の流路における垂直断面積に比して大きい少なくとも２つの第１流路部と、該第１流路部より垂直断面積が小さく複数の前記第１流路部同士を接続する第２流路部とが直列に配置され、
前記第１混合部における前記第１流路部の垂直断面積が前記第２混合部における前記第１流路部の垂直断面積より小さく、
前記第１混合部における前記第１流路部の流路方向長さが前記第２混合部における前記第１流路部の流路方向長さより長く形成されているマイクロ流体チップ。
【請求項２】
請求項１記載のマイクロ流体チップであって、
前記第１混合部の前記第１流路部は、該第１流路部内の液体の液端によって形成されるメニスカスが該第１流路部の軸中心に対して略対称となる程度に細く形成されているマイクロ流体チップ。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載のマイクロ流体チップであって、
前記第１混合部における前段の前記第１流路部および後段の前記第１流路部の各容積が、前記液投入ポートから前記流路へ導入された１回分の前記液体全体を収容可能な容積であるマイクロ流体チップ。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項記載のマイクロ流体チップであって、
前記流路の途中に、前記液体が通過することにより溶解する固形状の試薬が保持された固形試薬保持部を備えたマイクロ流体チップ。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか１項記載のマイクロ流体チップを用い、前記液投入ポートから前記流路に導入した複数種の液体を、前記圧力ポートから圧力を供給することで前記混合部内にて混合する液体混合方法。
【請求項６】
請求項５記載の液体混合方法であって、
前記第１の混合部における少なくとも前段の前記第１流路部、前記第２流路部、および後段の前記第１流路部との間で前記液体を往復移動させてから、前記第２の混合部へ送液する液体混合方法。
【請求項７】
請求項５または請求項６記載の液体混合方法であって、
前記複数の液体は、前記流路内表面に対する濡れ性がそれぞれ異なる液体である液体混合方法。
【請求項８】
請求項７記載の液体混合方法であって、
前記複数の液体は、血液と該血液を溶血する希釈液とを含む液体混合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−１１９３８６（Ｐ２００９−１１９３８６Ａ）
【公開日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２９７０００（Ｐ２００７−２９７０００）
【出願日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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