吐出機構付マイクロ流体デバイス及び微量サンプル吐出方法
【課題】微量サンプルの計量及び取り扱いがより簡便であり、小型化に適した、マイクロチップを備える吐出機構付マイクロ流体デバイス、及び当該マイクロチップにおけるマイクロ流路からのサンプルの取り出し方法を提供することを目的とする。
【解決手段】物質が移動する少なくとも一つのマイクロ流路、マイクロ流路外部へ物質を吐出し得るポート及び該マイクロ流路内側面に吸収体を備えたマイクロチップならびに；レーザ発生装置を備えた吐出機構付マイクロ流体デバイスであって、前記吸収体が前記レーザ発生装置からのレーザを吸収してマイクロ流路内の液体を加熱して気泡を発生させ、マイクロ流路内の物質をマイクロ流路外に吐出し得る、吐出機構付マイクロ流体デバイス。
【解決手段】物質が移動する少なくとも一つのマイクロ流路、マイクロ流路外部へ物質を吐出し得るポート及び該マイクロ流路内側面に吸収体を備えたマイクロチップならびに；レーザ発生装置を備えた吐出機構付マイクロ流体デバイスであって、前記吸収体が前記レーザ発生装置からのレーザを吸収してマイクロ流路内の液体を加熱して気泡を発生させ、マイクロ流路内の物質をマイクロ流路外に吐出し得る、吐出機構付マイクロ流体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロチップ中の微量サンプルを吐出するための機構を備えるマイクロ流体デバイス及びマイクロチップ中の微量サンプルの吐出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオ、化学応用、分析においては、微量サンプルの計量と計量後の取り扱いにおいて、一般にディスポーザブル型の先端チップを持つマイクロピペットが用いられる。しかし、マイクロピペットを用いたマイクロリットル以下の微量サンプルの計量と取り扱いは非常に困難である。
【０００３】
これまでに、微量サンプルの計量と取り扱いについてはインクジェットヘッドの分野で研究及び実用化がされている。例えば、圧電素子を駆動源とするか、または電気ヒータでの加熱により発生した気泡によって、微量サンプルを微小液滴として吐出させるインクジェットヘッド及びその駆動方法が知られている（特許文献１）。
【０００４】
また、電気泳動や化学反応用、分析用のマイクロチップでは、直径数ミクロンから百数十ミクロン程度の細い流路が用いられており、その内部に水、各種水溶液、有機溶媒、各種化学薬品等の液体を入れて使用する。
【０００５】
このようなマイクロチップの細い流路の内部に存在する液体の、マイクロチップ流路内での制御方法は知られているが（特許文献２）そのようなマイクロチップ流路内液体の特定部分、またはマイクロチップ流路内で分析・分離された特定の物質を、一定した量で、該流路外部に取り出すことは非常に困難である。
【０００６】
マイクロチップにおけるサンプルの取り出しに関しては、ゴム等、弾性材の変形を用いるもの、蓋部品を物理的に移動させるもの、ポンプによる負圧を利用するもの（特許文献３）等数種類のマイクロバルブが開発されているが、これらは先端チップ、マイクロチップと一体化した複雑な駆動ユニット、あるいは外部の駆動用ガス圧力を必要としマイクロチップとの接合部が大きな面積を占有する、装置が大がかりになる、チップのディスポーザブル化が難しい等の問題があった。
【特許文献１】特開２００３−１６５２２２
【特許文献２】特開２００５−３００３３３
【特許文献３】特開２００４−３３９１９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、微量サンプルの計量及び取り扱いがより簡便であり、小型化に適した、電気泳動用、化学反応用、分析用等のマイクロチップを備える吐出機構付マイクロ流体デバイス、及び当該マイクロチップにおけるマイクロ流路からのサンプルの取り出し方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このようななか、本発明者らは、マイクロチップにおけるマイクロ流路内壁に備えられた吸収体にレーザ光を当てて気泡を生じさせることによって、マイクロ流路中の物質を吐出ポートから簡便に吐出させ得ることを見出した。本発明者らは、さらに、チップ、液体の光透過性、吸収体の光吸収率、レーザのパルス幅、ピークパワー等の組み合わせを検討した結果、本願発明を完成するに至った。
【０００９】
本発明は、以下の吐出機構付マイクロ流体デバイス、及びマイクロチップからの微量サンプル吐出方法に関する。
【００１０】
項１．少なくとも一つのマイクロ流路、マイクロ流路外部へ物質を吐出し得る少なくとも１つのポート及び該マイクロ流路内側面に少なくとも１つの吸収体を備えたマイクロチップにおいて、前記吸収体にレーザ発生装置からのレーザを吸収させてマイクロ流路内の液体を加熱して気泡を発生させ、マイクロ流路内の物質をマイクロ流路外に吐出させることを特徴とする、微量サンプル吐出方法。
【００１１】
項２．物質が移動する少なくとも一つのマイクロ流路、マイクロ流路外部へ物質を吐出し得る少なくとも１つのポート及び該マイクロ流路内側面に少なくとも１つの吸収体を備えたマイクロチップならびに
少なくとも１つのレーザ発生装置
を備えた吐出機構付マイクロ流体デバイスであって、
前記吸収体が前記レーザ発生装置からのレーザを吸収してマイクロ流路内の液体を加熱して気泡を発生させ、マイクロ流路内の物質をマイクロ流路外に吐出し得る、吐出機構付マイクロ流体デバイス。
【００１２】
項３．前記マイクロチップが前記物質が移動する第1マイクロ流路と、薄膜を介して該第１マイクロ流路と隔てられた第2マイクロ流路と、該第１マイクロ流路外部へ物質を吐出し得るポートとを備えており、該第２マイクロ流路内壁には気泡を形成し得る気泡発生機構が設置されており、気泡発生により薄膜を介して第1マイクロ流路内の物質を押し、第1マイクロ流路外に吐出し得る、項２に記載の吐出機構付マイクロ流体デバイス。
【００１３】
項４．前記吸収体とポートとの組み合わせを２組以上有し、前記レーザ発生装置の数が該吸収体とポートとの組み合わせの数よりも少なく、レーザ光のスキャン装置、チップ移動装置またはレーザ光のスキャン装置とチップ移動装置との組み合わせをさらに備える、項２または項３に記載の吐出機構付マイクロ流路デバイスであって、該レーザ光のスキャン装置、チップ移動装置またはレーザ光のスキャン装置とチップ移動装置との組み合わせを用いてレーザ光照射先の吸収体とポートとの組み合わせを切り替えて吐出を行うことを特徴とする、吐出機構付マイクロ流体デバイス。
【００１４】
項５．前記マイクロチップが電気泳動用、化学反応用、分析用あるいは、微小サンプル量制御用マイクロチップである項２〜４のいずれか一項に記載の吐出機構付マイクロ流体デバイス。
【００１５】
項６．前記マイクロチップがディスポーザブル型マイクロチップである、項２〜５のいずれか一項に記載の吐出機構付マイクロ流体デバイス。
【００１６】
項７．物質が少なくとも１つのマイクロ流路上を移動して、ポート付近に移動したときに、前記マイクロ流路の内側面に設けた吸収体にパルス状のレーザ光を照射して気泡を発生させ、該ポート付近に存在する物質を流路外に吐出させることを特徴とする、マイクロチップからの微量サンプル吐出方法。
【００１７】
項８．前記パルス状のレーザ光の照射回数により、吐出量を制御することを特徴とする項１または項７に記載の方法。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の吐出機構付マイクロ流体デバイスを用いれば、マイクロチップ内に駆動系を設置することなく、外部からの操作によりサンプルを吐出させることが可能となり、小型化が可能となる。
【００１９】
さらに、本発明の吐出機構付マイクロ流体デバイスはレーザが可視または近赤外であることを特徴としており、レーザダイオード等小型で安価かつ長時間安定稼働が可能なレーザを用いることができ、装置の小型化、コストの低減が可能となる。
【００２０】
本発明によれば、電気泳動用マイクロチップ、化学用マイクロチップ等において、容易に試料の一部を別の流路に導く、あるいは試料の一部を取り出すことが可能となるため、マイクロチップの高機能化が可能となる。
【００２１】
また、本発明において物質吐出のためにマイクロチップ内に備えられる装置は、薄膜吸収体のみである。その他の装置はマイクロチップ外部の装置であるため、本発明の吐出機構付マイクロ流体デバイス内のマイクロチップは、「使い捨て」「多点駆動」に適しており、バイオチップ等に用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明をより詳細に説明する。
【００２３】
本発明の吐出機構付マイクロ流体デバイスは、マイクロチップ及びレーザ発生装置を備えている。
【００２４】
本発明の吐出機構付マイクロ流体デバイスに含まれるマイクロチップは、微量サンプルの計量、取り扱い、そして電気泳動用、化学反応用、分析用等の用途に用いることができる。
【００２５】
マイクロチップは、１本、あるいは相互に交差する2以上のマイクロ流路を有する。
【００２６】
マイクロチップにおける各流路は、バイオ用分析・試料処理流路、化学分析流路等として使用することができる。
【００２７】
本発明の１つの実施形態において、例えば電気泳動用マイクロチップでは、マイクロ流路の両端に電極を接続して電圧をかけ、マイクロ流路上を電荷、分子量等の性質に応じて分離対象の物質を移動することができる。電気泳動により分離される物質としては、電荷を有するものであれば特に限定されないが、例えば核酸（ＤＮＡ、ＲＮＡ）、ペプチド、タンパク質、ムコ多糖、リン脂質等の生体由来の物質、植物抽出物、或いは天然ないし合成の生理活性物質が広く例示される。
【００２８】
本発明の他の実施形態において化学反応用チップでは、例えばマイクロ流路の両端から反応に関与する物質を各々供給し、マイクロ流路内で反応生成物を得る構成が例示される。試薬が複数存在する場合には、試薬の数に応じた数のマイクロ流路を形成し、マイクロ流路の交点で反応生成物を得ることも可能である。
【００２９】
マイクロ流路は、液体により満たされる。液体としては、例えば、水、含水溶媒（水と水混和性有機溶媒の混合物）、有機溶媒、緩衝液を含む有機物質または無機物質が溶解した水溶液または有機溶媒溶液等が挙げられ、水、含水溶媒、有機溶媒等が好ましい。該液体は、加熱により気泡を発生するものである。
【００３０】
有機溶媒としては、明確な沸点を有するものであれば特に限定されないが、例えば、アルコール、エーテル等が挙げられる。
【００３１】
ここでいう液体中には、タンパク、DNA、RNA、糖、糖タンパク、糖脂質等の生体高分子、または、金属、金属錯体、セラミックス等から成る微粒子が分散していてもよい。
【００３２】
マイクロ流路の幅又は直径は、１〜１０００μｍ程度、好ましくは２〜５００μｍ程度、より好ましくは５〜４００μｍ程度である。
【００３３】
本発明のマイクロチップは、少なくとも１本のマイクロ流路内側面に気泡を発生させ得る気泡発生手段を有し得る。マイクロ流路内にある、上記反応生成物等の所望の物質は、発生した気泡によって、吐出ポート（以下、吐出口ということもある）を介してマイクロチップ外へと押し出される。
【００３４】
吸収体はレーザ光を吸収する光吸収体であり、光吸収体の吸収率は、0.1〜0.99程度、好ましくは0.15〜0.9程度である。
【００３５】
吸収体は、マイクロ流路の内側面に１つ設置されていても、複数設置されていてもよい。
【００３６】
吐出ポートもまた、マイクロ流路の内側面に１つ設置されていても、複数設置されていてもよい。
【００３７】
吸収体と吐出ポートとの距離は、両者の端間距離で0〜1000ミクロン程度、好ましくは0〜500ミクロン程度である。
【００３８】
吸収体と吐出ポートとの距離を上記範囲とすることによって、気泡発生により生じた圧力が吐出ポート付近まで十分に伝わり、比較的小さなパルスエネルギーでも物質を吐出させることができる。
【００３９】
吸収体は、吐出ポート１つに対し１つ設置されていても、吐出ポートをはさむように２つ設置されていても、吐出ポートの周りを囲むように複数設置されていてもよい。
【００４０】
吐出ポートのマイクロチップ表面側の吐出口径（以下、表面側吐出口径ということもある）は、マイクロ流路中の液体の種類により変化し得るが、通常１μｍ〜５００μｍ程度、好ましくは５μｍ〜１００μｍ程度である。また、吐出ポートのマイクロ流路壁部側の吐出口径（以下、流路側吐出口径ということもある）は、マイクロ流路中の液体の種類により変化し得るが、通常１μｍ〜５００μｍ程度、好ましくは５μｍ〜１００μｍ程度ある。
【００４１】
上記範囲内で吐出口径を変化させることによって、吐出された液滴の大きさを制御し得る。
【００４２】
照射する光は、250nm〜1200nm程度の波長を有する任意の光源が使用でき、可視光、紫外線、赤外線等が使用でき、好ましくはレーザ光を使用する。
【００４３】
レーザ光は、マイクロ流路内の液体をサブマイクロメートルからマイクロメートルの狭い範囲で加熱することができ、気泡を速やかに発生させることができるので、好ましい。
【００４４】
吸収体はマイクロ流路のいずれの位置に設けてもよく、複数のマイクロ流路の交点またはその近傍に吸収体を設けてもよい。吸収体は、気泡発生に伴う圧力により、その近傍に存在する物質を移動、好ましくはマイクロ流路に設けられた吐出口からマイクロ流路外に（例えば、図２では回収容器７側）に吐出させることができる。
【００４５】
吸収体は、マイクロ流路内の液体を、気泡ができる程度まで加熱可能なものであり、好ましくは該液体の沸点又はそれ以上に速やかに加熱可能なものである。液体を速やかに加熱することができれば、吐出口またはその近傍に存在する物質を迅速に吐出させることができる。加熱開始から液体の沸点以上まで加熱する時間は、通常１０ミリ秒以内、好ましくは１０ナノ〜１ミリ秒、より好ましくは５０ナノ〜１００マイクロ秒程度である。吸収体によりマイクロ流路内の液体が速やかに加熱できれば、吐出口及びその付近の物質を逃さずに吐出させることができるために好ましい。
【００４６】
本発明の好ましい実施形態において、マイクロチップは、マイクロ流路として前記物質が移動する第1マイクロ流路と、薄膜を介して該第１マイクロ流路と隔てられた第2マイクロ流路とを備えている。当該実施形態において、気泡発生手段として、第２マイクロ流路の周辺部ないし周囲、好ましくは第２マイクロ流路に接する位置に吸収体を設け、該吸収体を加熱することで局所的に吸収体の近傍に気泡を発生させる。
【００４７】
本発明の特に好ましい実施形態において、マイクロ流路の壁面付近に設置したレーザ吸収体に１ミリ秒以下の短いピークを有する強いパルスレーザを照射すると、吸収体と液体との界面の温度が急激に上昇し、液体の蒸発が起こる。液体の蒸発はレーザの１パルスあたりのエネルギー密度が０．０１J/cm2以上でないと生じ難いが、一方、３J/cm2以上では、吸収体の蒸発が起こり、不純物が発生することがある。そこで、本発明では、マイクロチップ本体を透過する波長のパルスレーザを用い、マイクロチップ内流路サイズに収束させて、流路内に設置した薄膜型吸収体に照射することにより、液体を蒸発させ、マイクロ液流の制御を可能としたものである。なお、照射するレーザ光は、240〜1200nm等液流に対してある程度透過する波長のものが望ましい。例えば、532nmのYAG２倍波、可視から近赤外波長のレーザダイオード、1060〜1070nmのYAG基本波、Ybファイバーレーザ、248nmのＫｒＦエキシマレーザ、308nmのＸｅＣｌエキシマレーザ、351nmのＸｅＦエキシマレーザ等を利用することができる。パルスレーザを用いる場合、パルス幅はレーザ吸収体を所望の時間で所望の温度に加熱できればよく、特に制限されないが、好ましくは５０フェムト秒〜１ミリ秒、より好ましくは１０ナノ秒〜１００マイクロ秒程度である。
【００４８】
また、連続出力のレーザを走査させることによってもパルスと同等の効果を得ることができる。
【００４９】
レーザの波長として240〜400nmのものを用いる場合には、マイクロチップを構成する本体として、石英ガラス等の当該波長を透過する素材を用いるのが好ましい。レーザの波長が400〜1200nmであれば、マイクロチップ本体として、石英ガラス、或いは通常のガラス、プラスチック等を使用することができる。なお、マイクロチップは、マイクロ流路に対応する溝を有する板状あるいはフィルム状の材料（マイクロチップ本体）を２枚又はそれ以上重ねることにより得ることができる。
【００５０】
本発明の好ましい実施形態において、気泡発生機構の構成要素である薄膜型吸収体の素材としてはレーザ波長に吸収性を有し、かつ融点が高いことが望ましく、チタン、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、アルミニウム、銅、亜鉛、スズ等の金属や、これらをベースとする合金、例えば、ステンレス、炭素鋼、黄銅、白銅、アルミニウム合金、さらにはアルミナ、ジルコニア、チタニア、窒化珪素、炭化珪素をはじめとするセラミックス等を上げることができる。
【００５１】
好ましい実施形態において、本発明の微量サンプル吐出方法は、レーザを利用してマイクロチップ外部から操作するので、マイクロチップ側に複雑な機構を必要としない。また、照射領域が狭いため、総出力が小さいレーザを使用することができ経済的である。
【００５２】
本発明の特に好ましい実施形態において、微量サンプル吐出を行う上で、少なくとも１本の流路に吸収体を設置してレーザを照射し、その内部液体温度を沸点以上まで瞬時（マイクロ秒レベル以下）に上昇させ、発生した気体の圧力により流路内の液体の一部を吐出口からマイクロ流路外部に吐出させることができる。さらに、レーザの単一照射あたりのエネルギー密度は用いる吸収体の物性にもよるが、吸収体表面で０．０１J/cm2ないし３J/cm2の範囲にあることが好ましい。この範囲の出力を与えることにより、吸収体にダメージを与えることなく、液体のみを蒸発させることができる。
【００５３】
本発明のマイクロ流体デバイスにおいては、マイクロ流路の寸法、液体の種類、吐出ポートの口径を上記範囲に設定することによって、レーザ照射がない状態では液体の表面張力により吐出ポート部分の液面が保持されるため液滴は落下せず、レーザ照射の際には気泡発生の圧力により押し出された液体が吐出量、速度等が制御された様式で吐出される。
【００５４】
本発明の特に好ましい１つの実施形態において、マイクロチップは、レーザに対して透明体、吸収体がレーザ吸収体であり、マイクロ流路外部からパルスレーザを照射することにより、レーザ吸収体が発熱することを特徴とする。
【００５５】
本発明の１つの実施形態において、本発明のマイクロ流体デバイスは、吸収体とポートとの組み合わせを２組以上有し、レーザ発生装置の数が該吸収体とポートとの組み合わせの数よりも少なくてもよい。当該実施形態においては、本発明のマイクロ流体デバイスは、レーザ光のスキャン装置、チップ移動装置またはレーザ光のスキャン装置とチップ移動装置との組み合わせをさらに備えている。ここで、レーザ光のスキャン装置及びチップ移動装置は、本発明の属する分野において通常用いられるものを使用できる。レーザ光のスキャン装置、チップ移動装置またはレーザ光のスキャン装置とチップ移動装置との組み合わせを用いることによって、レーザ光照射先の吸収体とポートとの組み合わせを切り替え、各吐出ポートから液体の吐出を行うことができる。
【００５６】
以下実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
【実施例】
【００５７】
実施例１ マイクロチップからサンプル回収容器へのサンプル吐出
本実施例の電気泳動用マイクロチップは、マイクロチップから試料の一部を分離・吐出・回収するものである。図１に示すように、電気泳動用マイクロチップ１においては、電極穴３近傍のマイクロ流路５に試料が導入され、電極穴４に向かって流路５中を流れる中で流路５に沿って試料の質量分布が生じる。電極穴３、４、流路５は水、食塩水あるいは各種バッファ液等の液体で満たされている。
【００５８】
本実施例では流路５の途中に吐出口６を設けている。適切なタイミングでレーザ発振器１０から出力され、走査装置９とレンズ８で位置決め、収束されたレーザ光１１がレーザ吸収体７に照射され、レーザ吸収体７の周辺の液体が蒸発して気泡１３を生じる。この際の圧力により、吐出口６近傍の液体が移動し、吐出口から流路５の外に吐出されることで、吐出サンプル１５のみをサンプル回収容器１２に導くことができる。
【００５９】
レーザ発生装置はパルス波または連続のレーザビームを発生する。レーザ波長はマイクロチップの材料ならびに液体による減衰の少ない４００〜１２００ｎｍの範囲のものを選択することが好ましい。例えば、SHG―YAGレーザ（波長５３２ｎｍ）や、レーザダイオード（波長４００〜１２００ｎｍ）、基本波ＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）、Ｙｂファイバーレーザ（波長１０７０〜１１００ｎｍ）等を使用することができる。吐出に十分な圧力の立ち上がりを得るために、レーザ光はパルスあるいは連続光の走査により照射し、パルス幅あるいは走査による単一照射時間は１００マイクロ秒程度以下とすることが望ましい。
【００６０】
十分な蒸発が起こるために適当なレーザエネルギー密度は材料およびパルス幅依存性があるものの、０．０１J/cm2ないし３J/cm2の範囲であることがわかっている。レーザの出力は、この範囲内で用いる液体の粘性等を考慮して決定される。
【００６１】
実施例２ 種々の流路パターンのマイクロチップからのサンプル吐出
図２ｂ、図３ａ、図３ｂ、図３ｃ及び図３ｄに示す種々の流路パターンを有するマイクロチップを用いてレーザ光照射をした。
【００６２】
具体的には、幅、約１２０μｍ／５０μｍ（流路表面幅／底面幅）、深さ、約３０μｍのマイクロ流路を有するＰＭＭＡチップを射出成型によって形成した。各図に示す位置に、レーザ吸収体７として、金属のホイル（１３５μｍ×１３５μｍ×２μｍ）を設置した。厚さ約４０μｍ（粘着材厚さ込み）のアクリル（ＰMMA）フィルムを、シールフィルム２として用いた。ｆｓレーザ照射によって、シールフィルム２に吐出ポート６を形成してある。
【００６３】
各マイクロチップにサンプルとして水で希釈した市販赤インクを充填し、1070ｎｍの波長のレーザ光を、０．６〜２．５Ｊ／ｃｍ２のレーザエネルギー密度となるように吸収体に照射した。
【００６４】
いずれの流路パターンにおいても、サンプルの吐出が確認された。
【００６５】
実施例３ サンプル吐出前後の質量分析データ
図２ｂに示す流路パターンのマイクロチップを用いて、吐出前後のサンプルの質量分析データを測定、比較した。
【００６６】
幅約１２０μｍ／５０μｍ（流路表面幅／底面幅）、深さ約３０μｍのマイクロ流路を有し、金属ホイル（１３５μｍ×１３５μｍ×２μｍ）が設置されたマイクロチップを用いた。シールフィルム２の厚さは約５０μｍのものを用いた。シールフィルム２には、ｆｓレーザ照射により表面吐出口径／流路側吐出口径が４４／３０（ミクロン／ミクロン）の吐出口６を空けてある。
【００６７】
当該マイクロチップにタンパク質サンプル（シトクロムｃ：０．１ｍｇ／水１ｍｌ、１ｍｇ／水１ｍｌ、ＢＳＡ：０．１ｍｇ／水１ｍｌ、１ｍｇ／水１ｍｌ）を充填した。シングルモードファイバレーザを出力４０Ｗ ＣＷ及び波長１０６０ｎｍで用いて吸収体７を加熱して、タンパク質サンプルを、ＳＥＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳ用プロテインチップアレイへと吐出させた。
【００６８】
吐出前後のＢＳＡサンプルのＳＥＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳシグナルを図４ａ及び図４ｂに示す。吐出前後のシトクロムｃサンプルのＳＥＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳシグナルを図４ｃ及び図４ｄに示す。図４ａ及び図４ｂから明らかなようにシグナル強度はサンプル濃度に比例していなかったが、ピークの位置については、吐出後ＢＳＡサンプルのシグナルと吐出前ＢＳＡサンプルのシグナルとの間に有意な差は見られなかった。図４ｃ及び図４ｄから明らかなように、シトクロムｃについても同様の結果が得られた。
【００６９】
これらの結果から、本発明の吐出機構付マイクロ流体デバイスを用いることによって、レーザ照射によりタンパク質を分解、変性することなくサンプルをマイクロチップから吐出させることができることが分かる。
【００７０】
実施例４ 吐出回数と吐出量との関係
タンパク質サンプルとしてＢＳＡサンプル（０．１ｍｇ／水１ｍｌ）を用い、実施例３と同様にして、レーザ照射によりマイクロチップからサンプルをＳＥＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳ用プロテインチップアレイへと約６００回吐出させた。
【００７１】
吐出されたサンプルのシグナルを、ＳＥＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳを用いて検出し、検出シグナルから吐出量を評価した。各吐出（射出）回数時点での検出信号を図５に示す。
【００７２】
図５から明らかなように、吐出回数に比例して信号レベルが変化している。従って、本発明の吐出機構付マイクロ流体デバイスを用いることによって、吐出回数（またはレーザ光の照射回数）により吐出量を制御することができ、ナノ〜ピコピペットとして微量サンプルを計量及び取り扱うことが可能である。
【００７３】
実施例５ 吐出口サイズ毎の、レーザエネルギーと吐出率の関係
表面吐出口径／流路側吐出口径が３１／１３、３５／２２、４４／３０、及び５４／３６（ミクロン／ミクロン）の吐出口を有する、図２ｂに示す流路パターンのマイクロチップを用い、実施例３と同様にして、レーザ光照射によりマイクロチップからサンプルを吐出させた。吐出サンプルの量から射出率を算出した。
【００７４】
ここで射出率とは、吐出回数／レーザ照射回数を示す。
【００７５】
表面吐出口径／流路側吐出口径が３５／２２（ミクロン／ミクロン）の吐出口を有するマイクロチップを用いた場合の各パルスエネルギーでの射出率を、図６に示す。
【００７６】
図６から明らかなように、７０マイクロジュール〜１９０マイクロジュールの範囲でほぼ１００％の射出率を示し、射出率にばらつきはほとんどない。
【００７７】
また、図６に示したデータは、吐出開始時の射出率であるが、一旦吐出が起こった後は５０〜２００マイクロジュールの範囲でほぼ１００％の射出率を示した（データ示さず）。
【００７８】
また、表面吐出口径／流路側吐出口径３１／１３、４４／３０、及び５４／３６（ミクロン／ミクロン）の吐出口を有するマイクロチップを用いた場合も、上記と同様にほぼ１００％の射出率を示した（データ示さず）。
【００７９】
実施例６ 単一レーザ装置による複数の吐出機構の駆動
表面吐出口径／流路側吐出口径が３５／２２（ミクロン／ミクロン）の吐出口を有する図２ａに示す流路パターンを１枚のマイクロチップ上に３本形成し、チップを移動させることにより、単一レーザ装置で３カ所の吐出機構を駆動した。移動機構の追加に伴う吐出条件の変化はなく、複数点の切り替え駆動が確認できた。
【００８０】
実施例７ 射出液滴の速度制御
図７に示す条件にてマイクロ流体デバイスから液滴を射出し、ＣＣＤを用いて射出された液滴を撮影した。当該操作をレーザエネルギー７０μＪ及び１７０μＪのレーザ照射にて行った。撮影した写真、及びレーザ照射からの遅延時間と各時点でのチップから液滴の距離との関係を図８に示す。
【００８１】
液滴速度は、レーザエネルギー７０μＪにおいて約３．２ｍ／ｓ、１７０μＪにおいて約５．０ｍ／ｓであった。このことから、レーザエネルギーを変化させることによって、吐出される液滴の速度を制御し得ることが分かる。
【００８２】
液滴速度が大きい方が液滴をより遠くまで直線的にとばすことができ、液滴速度を下げることによって、液滴内の分子が吐出時および着弾時に受ける力を低減し、こわれやすい分子に対応できる。従って、本発明の方法は、レーザエネルギーを調整することによって、液滴速度を用途に応じた速度に制御することができるという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】図１ａは、本発明実施例の吐出機構付マイクロ流体デバイスの概念を示す全体図である。図１ｂは、図１ａの要部拡大図である。
【図２】図２ａは、図１ａの要部拡大図である。図２ｂは、図２ａのＡ−Ａ’線断面図である。
【図３】図３ａ、図３ｂ、図３ｃ及び図３ｄは、本発明実施例の吐出機構付マイクロ流体デバイスの変形例を示す横断面図である。
【図４】図４ａ及び図４ｂは、マイクロチップからの吐出前（図４ａ）及び吐出後（図４ｂ）におけるＢＳＡサンプルのＳＥＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳシグナルを示す。図４ｃ及び図４ｄは、マイクロチップからの吐出前（図４ｃ）及び吐出後（図４ｄ）のシトクロムｃサンプルのＳＥＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳシグナルを示す。
【図５】図５は、マイクロチップから種々の回数サンプルを射出した際のＢＳＡサンプルのＳＥＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳシグナルを示す。
【図６】図６は、レーザ光を種々のパルスエネルギーで照射した際のサンプル射出率を示す。
【図７】図７は、本発明実施例のマイクロ流体デバイス及び射出された液滴を撮影するための装置の概略図、ならびに撮影された液滴の写真を示す。
【図８】図８は、本発明のマイクロ流体デバイスから射出した液滴のストロボ撮影写真及びレーザ照射からの遅延時間と各時点でのマイクロチップから液滴の距離との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８４】
１ マイクロチップ
２ シールフィルム
３ 電極穴
４ 電極穴
５ マイクロ流路
６ 吐出口
７ レーザ吸収体
８ 集光レンズ
９ レーザ走査装置
１０ レーザ発振器
１１ レーザ光
１２ サンプル回収容器
１３ 気泡
１４ 圧力
１５ 吐出サンプル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロチップ中の微量サンプルを吐出するための機構を備えるマイクロ流体デバイス及びマイクロチップ中の微量サンプルの吐出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオ、化学応用、分析においては、微量サンプルの計量と計量後の取り扱いにおいて、一般にディスポーザブル型の先端チップを持つマイクロピペットが用いられる。しかし、マイクロピペットを用いたマイクロリットル以下の微量サンプルの計量と取り扱いは非常に困難である。
【０００３】
これまでに、微量サンプルの計量と取り扱いについてはインクジェットヘッドの分野で研究及び実用化がされている。例えば、圧電素子を駆動源とするか、または電気ヒータでの加熱により発生した気泡によって、微量サンプルを微小液滴として吐出させるインクジェットヘッド及びその駆動方法が知られている（特許文献１）。
【０００４】
また、電気泳動や化学反応用、分析用のマイクロチップでは、直径数ミクロンから百数十ミクロン程度の細い流路が用いられており、その内部に水、各種水溶液、有機溶媒、各種化学薬品等の液体を入れて使用する。
【０００５】
このようなマイクロチップの細い流路の内部に存在する液体の、マイクロチップ流路内での制御方法は知られているが（特許文献２）そのようなマイクロチップ流路内液体の特定部分、またはマイクロチップ流路内で分析・分離された特定の物質を、一定した量で、該流路外部に取り出すことは非常に困難である。
【０００６】
マイクロチップにおけるサンプルの取り出しに関しては、ゴム等、弾性材の変形を用いるもの、蓋部品を物理的に移動させるもの、ポンプによる負圧を利用するもの（特許文献３）等数種類のマイクロバルブが開発されているが、これらは先端チップ、マイクロチップと一体化した複雑な駆動ユニット、あるいは外部の駆動用ガス圧力を必要としマイクロチップとの接合部が大きな面積を占有する、装置が大がかりになる、チップのディスポーザブル化が難しい等の問題があった。
【特許文献１】特開２００３−１６５２２２
【特許文献２】特開２００５−３００３３３
【特許文献３】特開２００４−３３９１９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、微量サンプルの計量及び取り扱いがより簡便であり、小型化に適した、電気泳動用、化学反応用、分析用等のマイクロチップを備える吐出機構付マイクロ流体デバイス、及び当該マイクロチップにおけるマイクロ流路からのサンプルの取り出し方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このようななか、本発明者らは、マイクロチップにおけるマイクロ流路内壁に備えられた吸収体にレーザ光を当てて気泡を生じさせることによって、マイクロ流路中の物質を吐出ポートから簡便に吐出させ得ることを見出した。本発明者らは、さらに、チップ、液体の光透過性、吸収体の光吸収率、レーザのパルス幅、ピークパワー等の組み合わせを検討した結果、本願発明を完成するに至った。
【０００９】
本発明は、以下の吐出機構付マイクロ流体デバイス、及びマイクロチップからの微量サンプル吐出方法に関する。
【００１０】
項１．少なくとも一つのマイクロ流路、マイクロ流路外部へ物質を吐出し得る少なくとも１つのポート及び該マイクロ流路内側面に少なくとも１つの吸収体を備えたマイクロチップにおいて、前記吸収体にレーザ発生装置からのレーザを吸収させてマイクロ流路内の液体を加熱して気泡を発生させ、マイクロ流路内の物質をマイクロ流路外に吐出させることを特徴とする、微量サンプル吐出方法。
【００１１】
項２．物質が移動する少なくとも一つのマイクロ流路、マイクロ流路外部へ物質を吐出し得る少なくとも１つのポート及び該マイクロ流路内側面に少なくとも１つの吸収体を備えたマイクロチップならびに
少なくとも１つのレーザ発生装置
を備えた吐出機構付マイクロ流体デバイスであって、
前記吸収体が前記レーザ発生装置からのレーザを吸収してマイクロ流路内の液体を加熱して気泡を発生させ、マイクロ流路内の物質をマイクロ流路外に吐出し得る、吐出機構付マイクロ流体デバイス。
【００１２】
項３．前記マイクロチップが前記物質が移動する第1マイクロ流路と、薄膜を介して該第１マイクロ流路と隔てられた第2マイクロ流路と、該第１マイクロ流路外部へ物質を吐出し得るポートとを備えており、該第２マイクロ流路内壁には気泡を形成し得る気泡発生機構が設置されており、気泡発生により薄膜を介して第1マイクロ流路内の物質を押し、第1マイクロ流路外に吐出し得る、項２に記載の吐出機構付マイクロ流体デバイス。
【００１３】
項４．前記吸収体とポートとの組み合わせを２組以上有し、前記レーザ発生装置の数が該吸収体とポートとの組み合わせの数よりも少なく、レーザ光のスキャン装置、チップ移動装置またはレーザ光のスキャン装置とチップ移動装置との組み合わせをさらに備える、項２または項３に記載の吐出機構付マイクロ流路デバイスであって、該レーザ光のスキャン装置、チップ移動装置またはレーザ光のスキャン装置とチップ移動装置との組み合わせを用いてレーザ光照射先の吸収体とポートとの組み合わせを切り替えて吐出を行うことを特徴とする、吐出機構付マイクロ流体デバイス。
【００１４】
項５．前記マイクロチップが電気泳動用、化学反応用、分析用あるいは、微小サンプル量制御用マイクロチップである項２〜４のいずれか一項に記載の吐出機構付マイクロ流体デバイス。
【００１５】
項６．前記マイクロチップがディスポーザブル型マイクロチップである、項２〜５のいずれか一項に記載の吐出機構付マイクロ流体デバイス。
【００１６】
項７．物質が少なくとも１つのマイクロ流路上を移動して、ポート付近に移動したときに、前記マイクロ流路の内側面に設けた吸収体にパルス状のレーザ光を照射して気泡を発生させ、該ポート付近に存在する物質を流路外に吐出させることを特徴とする、マイクロチップからの微量サンプル吐出方法。
【００１７】
項８．前記パルス状のレーザ光の照射回数により、吐出量を制御することを特徴とする項１または項７に記載の方法。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の吐出機構付マイクロ流体デバイスを用いれば、マイクロチップ内に駆動系を設置することなく、外部からの操作によりサンプルを吐出させることが可能となり、小型化が可能となる。
【００１９】
さらに、本発明の吐出機構付マイクロ流体デバイスはレーザが可視または近赤外であることを特徴としており、レーザダイオード等小型で安価かつ長時間安定稼働が可能なレーザを用いることができ、装置の小型化、コストの低減が可能となる。
【００２０】
本発明によれば、電気泳動用マイクロチップ、化学用マイクロチップ等において、容易に試料の一部を別の流路に導く、あるいは試料の一部を取り出すことが可能となるため、マイクロチップの高機能化が可能となる。
【００２１】
また、本発明において物質吐出のためにマイクロチップ内に備えられる装置は、薄膜吸収体のみである。その他の装置はマイクロチップ外部の装置であるため、本発明の吐出機構付マイクロ流体デバイス内のマイクロチップは、「使い捨て」「多点駆動」に適しており、バイオチップ等に用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明をより詳細に説明する。
【００２３】
本発明の吐出機構付マイクロ流体デバイスは、マイクロチップ及びレーザ発生装置を備えている。
【００２４】
本発明の吐出機構付マイクロ流体デバイスに含まれるマイクロチップは、微量サンプルの計量、取り扱い、そして電気泳動用、化学反応用、分析用等の用途に用いることができる。
【００２５】
マイクロチップは、１本、あるいは相互に交差する2以上のマイクロ流路を有する。
【００２６】
マイクロチップにおける各流路は、バイオ用分析・試料処理流路、化学分析流路等として使用することができる。
【００２７】
本発明の１つの実施形態において、例えば電気泳動用マイクロチップでは、マイクロ流路の両端に電極を接続して電圧をかけ、マイクロ流路上を電荷、分子量等の性質に応じて分離対象の物質を移動することができる。電気泳動により分離される物質としては、電荷を有するものであれば特に限定されないが、例えば核酸（ＤＮＡ、ＲＮＡ）、ペプチド、タンパク質、ムコ多糖、リン脂質等の生体由来の物質、植物抽出物、或いは天然ないし合成の生理活性物質が広く例示される。
【００２８】
本発明の他の実施形態において化学反応用チップでは、例えばマイクロ流路の両端から反応に関与する物質を各々供給し、マイクロ流路内で反応生成物を得る構成が例示される。試薬が複数存在する場合には、試薬の数に応じた数のマイクロ流路を形成し、マイクロ流路の交点で反応生成物を得ることも可能である。
【００２９】
マイクロ流路は、液体により満たされる。液体としては、例えば、水、含水溶媒（水と水混和性有機溶媒の混合物）、有機溶媒、緩衝液を含む有機物質または無機物質が溶解した水溶液または有機溶媒溶液等が挙げられ、水、含水溶媒、有機溶媒等が好ましい。該液体は、加熱により気泡を発生するものである。
【００３０】
有機溶媒としては、明確な沸点を有するものであれば特に限定されないが、例えば、アルコール、エーテル等が挙げられる。
【００３１】
ここでいう液体中には、タンパク、DNA、RNA、糖、糖タンパク、糖脂質等の生体高分子、または、金属、金属錯体、セラミックス等から成る微粒子が分散していてもよい。
【００３２】
マイクロ流路の幅又は直径は、１〜１０００μｍ程度、好ましくは２〜５００μｍ程度、より好ましくは５〜４００μｍ程度である。
【００３３】
本発明のマイクロチップは、少なくとも１本のマイクロ流路内側面に気泡を発生させ得る気泡発生手段を有し得る。マイクロ流路内にある、上記反応生成物等の所望の物質は、発生した気泡によって、吐出ポート（以下、吐出口ということもある）を介してマイクロチップ外へと押し出される。
【００３４】
吸収体はレーザ光を吸収する光吸収体であり、光吸収体の吸収率は、0.1〜0.99程度、好ましくは0.15〜0.9程度である。
【００３５】
吸収体は、マイクロ流路の内側面に１つ設置されていても、複数設置されていてもよい。
【００３６】
吐出ポートもまた、マイクロ流路の内側面に１つ設置されていても、複数設置されていてもよい。
【００３７】
吸収体と吐出ポートとの距離は、両者の端間距離で0〜1000ミクロン程度、好ましくは0〜500ミクロン程度である。
【００３８】
吸収体と吐出ポートとの距離を上記範囲とすることによって、気泡発生により生じた圧力が吐出ポート付近まで十分に伝わり、比較的小さなパルスエネルギーでも物質を吐出させることができる。
【００３９】
吸収体は、吐出ポート１つに対し１つ設置されていても、吐出ポートをはさむように２つ設置されていても、吐出ポートの周りを囲むように複数設置されていてもよい。
【００４０】
吐出ポートのマイクロチップ表面側の吐出口径（以下、表面側吐出口径ということもある）は、マイクロ流路中の液体の種類により変化し得るが、通常１μｍ〜５００μｍ程度、好ましくは５μｍ〜１００μｍ程度である。また、吐出ポートのマイクロ流路壁部側の吐出口径（以下、流路側吐出口径ということもある）は、マイクロ流路中の液体の種類により変化し得るが、通常１μｍ〜５００μｍ程度、好ましくは５μｍ〜１００μｍ程度ある。
【００４１】
上記範囲内で吐出口径を変化させることによって、吐出された液滴の大きさを制御し得る。
【００４２】
照射する光は、250nm〜1200nm程度の波長を有する任意の光源が使用でき、可視光、紫外線、赤外線等が使用でき、好ましくはレーザ光を使用する。
【００４３】
レーザ光は、マイクロ流路内の液体をサブマイクロメートルからマイクロメートルの狭い範囲で加熱することができ、気泡を速やかに発生させることができるので、好ましい。
【００４４】
吸収体はマイクロ流路のいずれの位置に設けてもよく、複数のマイクロ流路の交点またはその近傍に吸収体を設けてもよい。吸収体は、気泡発生に伴う圧力により、その近傍に存在する物質を移動、好ましくはマイクロ流路に設けられた吐出口からマイクロ流路外に（例えば、図２では回収容器７側）に吐出させることができる。
【００４５】
吸収体は、マイクロ流路内の液体を、気泡ができる程度まで加熱可能なものであり、好ましくは該液体の沸点又はそれ以上に速やかに加熱可能なものである。液体を速やかに加熱することができれば、吐出口またはその近傍に存在する物質を迅速に吐出させることができる。加熱開始から液体の沸点以上まで加熱する時間は、通常１０ミリ秒以内、好ましくは１０ナノ〜１ミリ秒、より好ましくは５０ナノ〜１００マイクロ秒程度である。吸収体によりマイクロ流路内の液体が速やかに加熱できれば、吐出口及びその付近の物質を逃さずに吐出させることができるために好ましい。
【００４６】
本発明の好ましい実施形態において、マイクロチップは、マイクロ流路として前記物質が移動する第1マイクロ流路と、薄膜を介して該第１マイクロ流路と隔てられた第2マイクロ流路とを備えている。当該実施形態において、気泡発生手段として、第２マイクロ流路の周辺部ないし周囲、好ましくは第２マイクロ流路に接する位置に吸収体を設け、該吸収体を加熱することで局所的に吸収体の近傍に気泡を発生させる。
【００４７】
本発明の特に好ましい実施形態において、マイクロ流路の壁面付近に設置したレーザ吸収体に１ミリ秒以下の短いピークを有する強いパルスレーザを照射すると、吸収体と液体との界面の温度が急激に上昇し、液体の蒸発が起こる。液体の蒸発はレーザの１パルスあたりのエネルギー密度が０．０１J/cm2以上でないと生じ難いが、一方、３J/cm2以上では、吸収体の蒸発が起こり、不純物が発生することがある。そこで、本発明では、マイクロチップ本体を透過する波長のパルスレーザを用い、マイクロチップ内流路サイズに収束させて、流路内に設置した薄膜型吸収体に照射することにより、液体を蒸発させ、マイクロ液流の制御を可能としたものである。なお、照射するレーザ光は、240〜1200nm等液流に対してある程度透過する波長のものが望ましい。例えば、532nmのYAG２倍波、可視から近赤外波長のレーザダイオード、1060〜1070nmのYAG基本波、Ybファイバーレーザ、248nmのＫｒＦエキシマレーザ、308nmのＸｅＣｌエキシマレーザ、351nmのＸｅＦエキシマレーザ等を利用することができる。パルスレーザを用いる場合、パルス幅はレーザ吸収体を所望の時間で所望の温度に加熱できればよく、特に制限されないが、好ましくは５０フェムト秒〜１ミリ秒、より好ましくは１０ナノ秒〜１００マイクロ秒程度である。
【００４８】
また、連続出力のレーザを走査させることによってもパルスと同等の効果を得ることができる。
【００４９】
レーザの波長として240〜400nmのものを用いる場合には、マイクロチップを構成する本体として、石英ガラス等の当該波長を透過する素材を用いるのが好ましい。レーザの波長が400〜1200nmであれば、マイクロチップ本体として、石英ガラス、或いは通常のガラス、プラスチック等を使用することができる。なお、マイクロチップは、マイクロ流路に対応する溝を有する板状あるいはフィルム状の材料（マイクロチップ本体）を２枚又はそれ以上重ねることにより得ることができる。
【００５０】
本発明の好ましい実施形態において、気泡発生機構の構成要素である薄膜型吸収体の素材としてはレーザ波長に吸収性を有し、かつ融点が高いことが望ましく、チタン、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、アルミニウム、銅、亜鉛、スズ等の金属や、これらをベースとする合金、例えば、ステンレス、炭素鋼、黄銅、白銅、アルミニウム合金、さらにはアルミナ、ジルコニア、チタニア、窒化珪素、炭化珪素をはじめとするセラミックス等を上げることができる。
【００５１】
好ましい実施形態において、本発明の微量サンプル吐出方法は、レーザを利用してマイクロチップ外部から操作するので、マイクロチップ側に複雑な機構を必要としない。また、照射領域が狭いため、総出力が小さいレーザを使用することができ経済的である。
【００５２】
本発明の特に好ましい実施形態において、微量サンプル吐出を行う上で、少なくとも１本の流路に吸収体を設置してレーザを照射し、その内部液体温度を沸点以上まで瞬時（マイクロ秒レベル以下）に上昇させ、発生した気体の圧力により流路内の液体の一部を吐出口からマイクロ流路外部に吐出させることができる。さらに、レーザの単一照射あたりのエネルギー密度は用いる吸収体の物性にもよるが、吸収体表面で０．０１J/cm2ないし３J/cm2の範囲にあることが好ましい。この範囲の出力を与えることにより、吸収体にダメージを与えることなく、液体のみを蒸発させることができる。
【００５３】
本発明のマイクロ流体デバイスにおいては、マイクロ流路の寸法、液体の種類、吐出ポートの口径を上記範囲に設定することによって、レーザ照射がない状態では液体の表面張力により吐出ポート部分の液面が保持されるため液滴は落下せず、レーザ照射の際には気泡発生の圧力により押し出された液体が吐出量、速度等が制御された様式で吐出される。
【００５４】
本発明の特に好ましい１つの実施形態において、マイクロチップは、レーザに対して透明体、吸収体がレーザ吸収体であり、マイクロ流路外部からパルスレーザを照射することにより、レーザ吸収体が発熱することを特徴とする。
【００５５】
本発明の１つの実施形態において、本発明のマイクロ流体デバイスは、吸収体とポートとの組み合わせを２組以上有し、レーザ発生装置の数が該吸収体とポートとの組み合わせの数よりも少なくてもよい。当該実施形態においては、本発明のマイクロ流体デバイスは、レーザ光のスキャン装置、チップ移動装置またはレーザ光のスキャン装置とチップ移動装置との組み合わせをさらに備えている。ここで、レーザ光のスキャン装置及びチップ移動装置は、本発明の属する分野において通常用いられるものを使用できる。レーザ光のスキャン装置、チップ移動装置またはレーザ光のスキャン装置とチップ移動装置との組み合わせを用いることによって、レーザ光照射先の吸収体とポートとの組み合わせを切り替え、各吐出ポートから液体の吐出を行うことができる。
【００５６】
以下実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
【実施例】
【００５７】
実施例１ マイクロチップからサンプル回収容器へのサンプル吐出
本実施例の電気泳動用マイクロチップは、マイクロチップから試料の一部を分離・吐出・回収するものである。図１に示すように、電気泳動用マイクロチップ１においては、電極穴３近傍のマイクロ流路５に試料が導入され、電極穴４に向かって流路５中を流れる中で流路５に沿って試料の質量分布が生じる。電極穴３、４、流路５は水、食塩水あるいは各種バッファ液等の液体で満たされている。
【００５８】
本実施例では流路５の途中に吐出口６を設けている。適切なタイミングでレーザ発振器１０から出力され、走査装置９とレンズ８で位置決め、収束されたレーザ光１１がレーザ吸収体７に照射され、レーザ吸収体７の周辺の液体が蒸発して気泡１３を生じる。この際の圧力により、吐出口６近傍の液体が移動し、吐出口から流路５の外に吐出されることで、吐出サンプル１５のみをサンプル回収容器１２に導くことができる。
【００５９】
レーザ発生装置はパルス波または連続のレーザビームを発生する。レーザ波長はマイクロチップの材料ならびに液体による減衰の少ない４００〜１２００ｎｍの範囲のものを選択することが好ましい。例えば、SHG―YAGレーザ（波長５３２ｎｍ）や、レーザダイオード（波長４００〜１２００ｎｍ）、基本波ＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）、Ｙｂファイバーレーザ（波長１０７０〜１１００ｎｍ）等を使用することができる。吐出に十分な圧力の立ち上がりを得るために、レーザ光はパルスあるいは連続光の走査により照射し、パルス幅あるいは走査による単一照射時間は１００マイクロ秒程度以下とすることが望ましい。
【００６０】
十分な蒸発が起こるために適当なレーザエネルギー密度は材料およびパルス幅依存性があるものの、０．０１J/cm2ないし３J/cm2の範囲であることがわかっている。レーザの出力は、この範囲内で用いる液体の粘性等を考慮して決定される。
【００６１】
実施例２ 種々の流路パターンのマイクロチップからのサンプル吐出
図２ｂ、図３ａ、図３ｂ、図３ｃ及び図３ｄに示す種々の流路パターンを有するマイクロチップを用いてレーザ光照射をした。
【００６２】
具体的には、幅、約１２０μｍ／５０μｍ（流路表面幅／底面幅）、深さ、約３０μｍのマイクロ流路を有するＰＭＭＡチップを射出成型によって形成した。各図に示す位置に、レーザ吸収体７として、金属のホイル（１３５μｍ×１３５μｍ×２μｍ）を設置した。厚さ約４０μｍ（粘着材厚さ込み）のアクリル（ＰMMA）フィルムを、シールフィルム２として用いた。ｆｓレーザ照射によって、シールフィルム２に吐出ポート６を形成してある。
【００６３】
各マイクロチップにサンプルとして水で希釈した市販赤インクを充填し、1070ｎｍの波長のレーザ光を、０．６〜２．５Ｊ／ｃｍ２のレーザエネルギー密度となるように吸収体に照射した。
【００６４】
いずれの流路パターンにおいても、サンプルの吐出が確認された。
【００６５】
実施例３ サンプル吐出前後の質量分析データ
図２ｂに示す流路パターンのマイクロチップを用いて、吐出前後のサンプルの質量分析データを測定、比較した。
【００６６】
幅約１２０μｍ／５０μｍ（流路表面幅／底面幅）、深さ約３０μｍのマイクロ流路を有し、金属ホイル（１３５μｍ×１３５μｍ×２μｍ）が設置されたマイクロチップを用いた。シールフィルム２の厚さは約５０μｍのものを用いた。シールフィルム２には、ｆｓレーザ照射により表面吐出口径／流路側吐出口径が４４／３０（ミクロン／ミクロン）の吐出口６を空けてある。
【００６７】
当該マイクロチップにタンパク質サンプル（シトクロムｃ：０．１ｍｇ／水１ｍｌ、１ｍｇ／水１ｍｌ、ＢＳＡ：０．１ｍｇ／水１ｍｌ、１ｍｇ／水１ｍｌ）を充填した。シングルモードファイバレーザを出力４０Ｗ ＣＷ及び波長１０６０ｎｍで用いて吸収体７を加熱して、タンパク質サンプルを、ＳＥＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳ用プロテインチップアレイへと吐出させた。
【００６８】
吐出前後のＢＳＡサンプルのＳＥＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳシグナルを図４ａ及び図４ｂに示す。吐出前後のシトクロムｃサンプルのＳＥＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳシグナルを図４ｃ及び図４ｄに示す。図４ａ及び図４ｂから明らかなようにシグナル強度はサンプル濃度に比例していなかったが、ピークの位置については、吐出後ＢＳＡサンプルのシグナルと吐出前ＢＳＡサンプルのシグナルとの間に有意な差は見られなかった。図４ｃ及び図４ｄから明らかなように、シトクロムｃについても同様の結果が得られた。
【００６９】
これらの結果から、本発明の吐出機構付マイクロ流体デバイスを用いることによって、レーザ照射によりタンパク質を分解、変性することなくサンプルをマイクロチップから吐出させることができることが分かる。
【００７０】
実施例４ 吐出回数と吐出量との関係
タンパク質サンプルとしてＢＳＡサンプル（０．１ｍｇ／水１ｍｌ）を用い、実施例３と同様にして、レーザ照射によりマイクロチップからサンプルをＳＥＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳ用プロテインチップアレイへと約６００回吐出させた。
【００７１】
吐出されたサンプルのシグナルを、ＳＥＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳを用いて検出し、検出シグナルから吐出量を評価した。各吐出（射出）回数時点での検出信号を図５に示す。
【００７２】
図５から明らかなように、吐出回数に比例して信号レベルが変化している。従って、本発明の吐出機構付マイクロ流体デバイスを用いることによって、吐出回数（またはレーザ光の照射回数）により吐出量を制御することができ、ナノ〜ピコピペットとして微量サンプルを計量及び取り扱うことが可能である。
【００７３】
実施例５ 吐出口サイズ毎の、レーザエネルギーと吐出率の関係
表面吐出口径／流路側吐出口径が３１／１３、３５／２２、４４／３０、及び５４／３６（ミクロン／ミクロン）の吐出口を有する、図２ｂに示す流路パターンのマイクロチップを用い、実施例３と同様にして、レーザ光照射によりマイクロチップからサンプルを吐出させた。吐出サンプルの量から射出率を算出した。
【００７４】
ここで射出率とは、吐出回数／レーザ照射回数を示す。
【００７５】
表面吐出口径／流路側吐出口径が３５／２２（ミクロン／ミクロン）の吐出口を有するマイクロチップを用いた場合の各パルスエネルギーでの射出率を、図６に示す。
【００７６】
図６から明らかなように、７０マイクロジュール〜１９０マイクロジュールの範囲でほぼ１００％の射出率を示し、射出率にばらつきはほとんどない。
【００７７】
また、図６に示したデータは、吐出開始時の射出率であるが、一旦吐出が起こった後は５０〜２００マイクロジュールの範囲でほぼ１００％の射出率を示した（データ示さず）。
【００７８】
また、表面吐出口径／流路側吐出口径３１／１３、４４／３０、及び５４／３６（ミクロン／ミクロン）の吐出口を有するマイクロチップを用いた場合も、上記と同様にほぼ１００％の射出率を示した（データ示さず）。
【００７９】
実施例６ 単一レーザ装置による複数の吐出機構の駆動
表面吐出口径／流路側吐出口径が３５／２２（ミクロン／ミクロン）の吐出口を有する図２ａに示す流路パターンを１枚のマイクロチップ上に３本形成し、チップを移動させることにより、単一レーザ装置で３カ所の吐出機構を駆動した。移動機構の追加に伴う吐出条件の変化はなく、複数点の切り替え駆動が確認できた。
【００８０】
実施例７ 射出液滴の速度制御
図７に示す条件にてマイクロ流体デバイスから液滴を射出し、ＣＣＤを用いて射出された液滴を撮影した。当該操作をレーザエネルギー７０μＪ及び１７０μＪのレーザ照射にて行った。撮影した写真、及びレーザ照射からの遅延時間と各時点でのチップから液滴の距離との関係を図８に示す。
【００８１】
液滴速度は、レーザエネルギー７０μＪにおいて約３．２ｍ／ｓ、１７０μＪにおいて約５．０ｍ／ｓであった。このことから、レーザエネルギーを変化させることによって、吐出される液滴の速度を制御し得ることが分かる。
【００８２】
液滴速度が大きい方が液滴をより遠くまで直線的にとばすことができ、液滴速度を下げることによって、液滴内の分子が吐出時および着弾時に受ける力を低減し、こわれやすい分子に対応できる。従って、本発明の方法は、レーザエネルギーを調整することによって、液滴速度を用途に応じた速度に制御することができるという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】図１ａは、本発明実施例の吐出機構付マイクロ流体デバイスの概念を示す全体図である。図１ｂは、図１ａの要部拡大図である。
【図２】図２ａは、図１ａの要部拡大図である。図２ｂは、図２ａのＡ−Ａ’線断面図である。
【図３】図３ａ、図３ｂ、図３ｃ及び図３ｄは、本発明実施例の吐出機構付マイクロ流体デバイスの変形例を示す横断面図である。
【図４】図４ａ及び図４ｂは、マイクロチップからの吐出前（図４ａ）及び吐出後（図４ｂ）におけるＢＳＡサンプルのＳＥＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳシグナルを示す。図４ｃ及び図４ｄは、マイクロチップからの吐出前（図４ｃ）及び吐出後（図４ｄ）のシトクロムｃサンプルのＳＥＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳシグナルを示す。
【図５】図５は、マイクロチップから種々の回数サンプルを射出した際のＢＳＡサンプルのＳＥＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳシグナルを示す。
【図６】図６は、レーザ光を種々のパルスエネルギーで照射した際のサンプル射出率を示す。
【図７】図７は、本発明実施例のマイクロ流体デバイス及び射出された液滴を撮影するための装置の概略図、ならびに撮影された液滴の写真を示す。
【図８】図８は、本発明のマイクロ流体デバイスから射出した液滴のストロボ撮影写真及びレーザ照射からの遅延時間と各時点でのマイクロチップから液滴の距離との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８４】
１ マイクロチップ
２ シールフィルム
３ 電極穴
４ 電極穴
５ マイクロ流路
６ 吐出口
７ レーザ吸収体
８ 集光レンズ
９ レーザ走査装置
１０ レーザ発振器
１１ レーザ光
１２ サンプル回収容器
１３ 気泡
１４ 圧力
１５ 吐出サンプル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つのマイクロ流路、マイクロ流路外部へ物質を吐出し得る少なくとも１つのポート及び該マイクロ流路内側面に少なくとも１つの吸収体を備えたマイクロチップにおいて、前記吸収体にレーザ発生装置からのレーザを吸収させてマイクロ流路内の液体を加熱して気泡を発生させ、マイクロ流路内の物質をマイクロ流路外に吐出させることを特徴とする、微量サンプル吐出方法。
【請求項２】
物質が移動する少なくとも一つのマイクロ流路、マイクロ流路外部へ物質を吐出し得る少なくとも１つのポート及び該マイクロ流路内側面に少なくとも１つの吸収体を備えたマイクロチップならびに
少なくとも１つのレーザ発生装置
を備えた吐出機構付マイクロ流体デバイスであって、
前記吸収体が前記レーザ発生装置からのレーザを吸収してマイクロ流路内の液体を加熱して気泡を発生させ、マイクロ流路内の物質をマイクロ流路外に吐出し得る、吐出機構付マイクロ流体デバイス。
【請求項３】
前記マイクロチップが前記物質が移動する第1マイクロ流路と、薄膜を介して該第１マイクロ流路と隔てられた第2マイクロ流路と、該第１マイクロ流路外部へ物質を吐出し得るポートとを備えており、該第２マイクロ流路内壁には気泡を形成し得る気泡発生機構が設置されており、気泡発生により薄膜を介して第1マイクロ流路内の物質を押し、第1マイクロ流路外に吐出し得る、請求項２に記載の吐出機構付マイクロ流体デバイス。
【請求項４】
前記吸収体とポートとの組み合わせを２組以上有し、前記レーザ発生装置の数が該吸収体とポートとの組み合わせの数よりも少なく、レーザ光のスキャン装置、チップ移動装置またはレーザ光のスキャン装置とチップ移動装置との組み合わせをさらに備える、請求項２または請求項３に記載の吐出機構付マイクロ流路デバイスであって、該レーザ光のスキャン装置、チップ移動装置またはレーザ光のスキャン装置とチップ移動装置との組み合わせを用いてレーザ光照射先の吸収体とポートとの組み合わせを切り替えて吐出を行うことを特徴とする、吐出機構付マイクロ流体デバイス。
【請求項５】
前記マイクロチップが電気泳動用、化学反応用、分析用あるいは、微小サンプル量制御用マイクロチップである請求項２〜４のいずれか一項に記載の吐出機構付マイクロ流体デバイス。
【請求項６】
前記マイクロチップがディスポーザブル型マイクロチップである、請求項２〜５のいずれか一項に記載の吐出機構付マイクロ流体デバイス。
【請求項７】
物質が少なくとも１つのマイクロ流路上を移動して、ポート付近に移動したときに、前記マイクロ流路の内側面に設けた吸収体にパルス状のレーザ光を照射して気泡を発生させ、該ポート付近に存在する物質を流路外に吐出させることを特徴とする、マイクロチップからの微量サンプル吐出方法。
【請求項８】
前記パルス状のレーザ光の照射回数により、吐出量を制御することを特徴とする請求項１または請求項７に記載の方法。
【請求項１】
少なくとも一つのマイクロ流路、マイクロ流路外部へ物質を吐出し得る少なくとも１つのポート及び該マイクロ流路内側面に少なくとも１つの吸収体を備えたマイクロチップにおいて、前記吸収体にレーザ発生装置からのレーザを吸収させてマイクロ流路内の液体を加熱して気泡を発生させ、マイクロ流路内の物質をマイクロ流路外に吐出させることを特徴とする、微量サンプル吐出方法。
【請求項２】
物質が移動する少なくとも一つのマイクロ流路、マイクロ流路外部へ物質を吐出し得る少なくとも１つのポート及び該マイクロ流路内側面に少なくとも１つの吸収体を備えたマイクロチップならびに
少なくとも１つのレーザ発生装置
を備えた吐出機構付マイクロ流体デバイスであって、
前記吸収体が前記レーザ発生装置からのレーザを吸収してマイクロ流路内の液体を加熱して気泡を発生させ、マイクロ流路内の物質をマイクロ流路外に吐出し得る、吐出機構付マイクロ流体デバイス。
【請求項３】
前記マイクロチップが前記物質が移動する第1マイクロ流路と、薄膜を介して該第１マイクロ流路と隔てられた第2マイクロ流路と、該第１マイクロ流路外部へ物質を吐出し得るポートとを備えており、該第２マイクロ流路内壁には気泡を形成し得る気泡発生機構が設置されており、気泡発生により薄膜を介して第1マイクロ流路内の物質を押し、第1マイクロ流路外に吐出し得る、請求項２に記載の吐出機構付マイクロ流体デバイス。
【請求項４】
前記吸収体とポートとの組み合わせを２組以上有し、前記レーザ発生装置の数が該吸収体とポートとの組み合わせの数よりも少なく、レーザ光のスキャン装置、チップ移動装置またはレーザ光のスキャン装置とチップ移動装置との組み合わせをさらに備える、請求項２または請求項３に記載の吐出機構付マイクロ流路デバイスであって、該レーザ光のスキャン装置、チップ移動装置またはレーザ光のスキャン装置とチップ移動装置との組み合わせを用いてレーザ光照射先の吸収体とポートとの組み合わせを切り替えて吐出を行うことを特徴とする、吐出機構付マイクロ流体デバイス。
【請求項５】
前記マイクロチップが電気泳動用、化学反応用、分析用あるいは、微小サンプル量制御用マイクロチップである請求項２〜４のいずれか一項に記載の吐出機構付マイクロ流体デバイス。
【請求項６】
前記マイクロチップがディスポーザブル型マイクロチップである、請求項２〜５のいずれか一項に記載の吐出機構付マイクロ流体デバイス。
【請求項７】
物質が少なくとも１つのマイクロ流路上を移動して、ポート付近に移動したときに、前記マイクロ流路の内側面に設けた吸収体にパルス状のレーザ光を照射して気泡を発生させ、該ポート付近に存在する物質を流路外に吐出させることを特徴とする、マイクロチップからの微量サンプル吐出方法。
【請求項８】
前記パルス状のレーザ光の照射回数により、吐出量を制御することを特徴とする請求項１または請求項７に記載の方法。
【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２００８−１０７１１６（Ｐ２００８−１０７１１６Ａ）
【公開日】平成２０年５月８日（２００８．５．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２８８０６４（Ｐ２００６−２８８０６４）
【出願日】平成１８年１０月２３日（２００６．１０．２３）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１７年度、四国経済産業局、地域新生コンソーシアム研究開発事業「ピコインジェクターと分取機構を有する新規バイオデバイスの開発」（平成１７．０４．０１四国第２５号）、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【出願人】（５０６４０６６２９）東予産業株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月８日（２００８．５．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１０月２３日（２００６．１０．２３）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１７年度、四国経済産業局、地域新生コンソーシアム研究開発事業「ピコインジェクターと分取機構を有する新規バイオデバイスの開発」（平成１７．０４．０１四国第２５号）、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【出願人】（５０６４０６６２９）東予産業株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
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