JP2004069498A - 液体搬送装置及び液体搬送方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】微小な液体の効率的な搬送及び効率的な処理を可能とする液体流路装置を提供する。
【解決手段】液体を収容するための液体収容部と、前記液体収容部に前記液体を導入するための液体導入部と、前記液体収容部に導入される液体を導出するための液体導出部とを有する液体搬送装置であって、複数の前記液体搬送装置を連結させたときに、一方の前記液体搬送装置の前記液体導入部と他方の前記液体搬送装置の前記液体導出部とが連通するように前記液体導入部と前記液体導出部とが配置されている液体搬送装置。
【選択図】 なし
【解決手段】液体を収容するための液体収容部と、前記液体収容部に前記液体を導入するための液体導入部と、前記液体収容部に導入される液体を導出するための液体導出部とを有する液体搬送装置であって、複数の前記液体搬送装置を連結させたときに、一方の前記液体搬送装置の前記液体導入部と他方の前記液体搬送装置の前記液体導出部とが連通するように前記液体導入部と前記液体導出部とが配置されている液体搬送装置。
【選択図】 なし
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、小型化分析システム（μＴＡＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）等において用いられるマイクロリアクタにおける、微量液体を搬送する液体搬送装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
近年、立体微細加工技術の発展に伴い、ガラスやシリコン等の基板上に、微小な流路とポンプ、バルブ等の液体素子およびセンサを集積化し、その基板上で化学分析を行うシステムが注目されている。これらのシステムは、小型化分析システム、μ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）あるいはＬａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐと呼ばれている。化学分析システムを小型化することにより、無効体積の減少や試料の分量の大幅な低減が可能となる。また、分析時間の短縮やシステム全体の低消費電力化が可能となる。さらに、小型化によりシステムの低価格を期待することができる。μ−ＴＡＳは、システムの小型化、低価格化および分析時間の大幅な短縮が可能なことから、在宅医療やベッドサイドモニタ等の医療分野、ＤＮＡ解析やプロテオーム解析等のバイオ分野での応用が期待されている。
【０００３】
特開平１０−３３７１７３号公報においては、溶液を混合して反応を行った後、定量及び分析をしてから分離するという一連の生化学実験操作をいくつかのセルの組み合わせによって実現可能なマイクロリアクタが開示されている。図５にマイクロリアクタ５０１の概念を模式的に示す。マイクロリアクタ５０１は、シリコン基板上に平板で密閉された独立した反応チャンバを有している。このリアクタは、リザーバセル５０２、混合セル５０３、反応セル５０４、検出セル５０５、分離セル５０６が組み合わされている。このリアクタを基板上に多数個形成することにより、多数の生化学反応を同時に並列的に行うことができる。さらに、単なる分析だけでなく、タンパク質合成などの物質合成反応もセル上で行うことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この様なマイクロリアクタを作動させる場合に於いては、次に示す幾つかの課題が存在する。即ち、基板上に設けられた各流路の径は数十μｍから数百μｍといった微細なものであり、様々な液体が流れることにより詰まり、汚れの問題が生じ、その回復操作が煩雑である。そこである一部分で詰まり等の不具合が生じた場合に、全てが一体で作成されているため、マイクロリアクタそのものを取り替えなければならない。また、マイクロリアクタを用いた一連の反応操作において、途中で反応液の組成や反応条件を変化させることが困難である。
【０００５】
更に、それぞれの液体を移動させるための手段として、電気浸透流や電気泳動のような電気的な方法、及びポンプのような機械的な方法が用いられるが、前者の場合はそれぞれの流量や流速が液体の性質により著しく影響を受け、これらを個別に制御する操作は非常に煩雑であり、後者の場合は現状ポンプが外付けとなり装置が大型化し、ポンプと流路とを繋ぐコネクタの部分も漏れの原因となりやすい。
【０００６】
そこで本発明は、微小な液体の効率的な搬送及び効率的な処理を可能とする液体搬送装置及び液体流路装置の製造方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、液体を収容するための液体収容部と、前記液体収容部に前記液体を導入するための液体導入部と、前記液体収容部に導入される液体を導出するための液体導出部とを有する液体搬送装置であって、複数の前記液体搬送装置を連結させたときに、一方の前記液体搬送装置の前記液体導入部と他方の前記液体搬送装置の前記液体導出部とが連通するように前記液体導入部と前記液体導出部とが配置されていることを特徴とする液体搬送装置である。
【０００８】
前記液体導入部と前記液体導出部の少なくとも一方が、連結時の液密性を保持するためのシール部材を備えることが好ましい。
前記液体収容部は、前記液体導入部から導入された液体を加熱、濃縮、撹拌、混合、化学反応及び生化学反応のうちの少なくとも一つの処理を行うための処理手段を備えることが好ましい。
前記液体導出部が、逆止弁を備えることが好ましい。
【０００９】
前記液体導出部は、前記液体に吐出のためのエネルギーを与えるエネルギー付与手段を有することが好ましい。
【００１０】
また、本発明は、液体を収容するための液体収容部と、前記液体収容部に前記液体を導入するための液体導入部と、前記液体収容部に導入される液体を導出するための液体導出部とを有し、前記液体搬送装置を隣接させたときに、一方の液体搬送装置の液体導出部と他方の液体搬送装置の液体導入部とを連通させて、前記一方の液体搬送装置の液体導入部から他方の液体搬送装置の液体導出部連続する液体流路を有する液体流路装置の製造方法である。
【００１１】
互に隣接する一方の液体搬送装置の液体導出部と、他方の液体搬送装置の液体導入部とを脱着及び連結する工程とを更に有するのが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は、液体搬送装置は、液体を収容するための液体収容部と、前記液体収容部に前記液体を導入するための液体導入部と、前記液体収容部に導入される液体を導出するための液体導出部とを有する液体搬送装置であって、複数の前記液体搬送装置を連結させたときに、一方の前記液体搬送装置の前記液体導入部と他方の前記液体搬送装置の前記液体導出部とが連通するように前記液体導入部と前記液体導出部とが配置されていることを特徴とする液体搬送装置である。
【００１３】
この場合の各液体処理装置には、液体導入部及び液体導出部は複数設けられていてもよい。
本発明の各液体処理装置は、前記液体収容部において前記液体導入部から吐出された液体を加熱、濃 縮、撹拌、混合、化学反応、生化学反応の少なくとも一つの処理を行う処理手段を備えている。
本発明の各液体処理装置は、吐出された液体の逆流を防止するための逆止弁が前記吐出口に搭載されていることがより望ましい。
【００１４】
本発明の液体処理装置における各液体搬送装置の液体導出部は、液体を吐出するための方法としてエネルギー付与手段を備えたものであり、その中でもとりわけ、液体を吐出するために利用されるエネルギーとして発熱体素子を急速に加熱することにより発生する気泡の膨張によるエネルギーを用いることを特徴とするサーマルジェット方式、及び液体を吐出するために利用されるエネルギーとして液体導出部を加圧するためのに形成された振動版振動板と該振動板に積層された平板状の圧電素子により液体を加熱することにより発生するエネルギーを用いることを特徴とするピエゾジェット方式が好適に用いることができる。
【００１５】
また、本発明の液体搬送方法は、液体を収容するための液体収容部と、前記液体収容部に前記液体を導入するための液体導入部と、前記液体収容部に導入された前記液体の吐出口を有する液体導出部とを有する液体搬送装置を複数個用意して着脱可能に一体に結合する工程と、前記収容部に収容された前記液体を吐出することで、一方の前記液体搬送装置の前記液体導入部から他方の前記液体搬送装置の前記液体導出部に前記液体を搬送する工程とを有することを特徴とする。
また、本発明の液流路装置の製造方法は、液体を収容するための液体収容部と、前記液体収容部に前記液体を導入するための液体導入部と、前記液体収容部に導入される液体を導出するための液体導出部とを有し、前記液体搬送装置を隣接させたときに、一方の液体搬送装置の液体導出部と他方の液体搬送装置の液体導入部とを連通させて、前記一方の液体搬送装置の液体導入部から他方の液体搬送装置の液体導出部連続する液体流路を有することを特徴とする。
【００１６】
図１は本発明の液体流路装置の一単位の液体搬送装置の実施形態の一例であり、液体を吐出するために利用されるエネルギーとして液体に膜沸騰を生じさせる熱エネルギーを発生する発熱体素子を有するサーマル型インクジェット方式の液体搬送装置の概念図である。
【００１７】
図１に示す液体搬送装置は、基体１０１上に一体化されて設けられた液体収容部１０２、液体導入部１０３、液体導出部１０４から構成され、液体導出部は液体を吐出させる吐出口１０５と吐出のためのエネルギーを与える発熱体素子１０６及び吐出液の逆流を防止する逆止弁１０７から構成される。液体は液体導入部１０３から液体収容部１０２に送られ、液体導出部の吐出口から吐出される。一方の液体搬送装置の吐出口と他方の液体搬送装置の液体導入部とが連通されており、一方の液体搬送装置の吐出口から吐出された液体は、他方の液体搬送装置の液体導入部へと搬送される。図示していないが吐出口と液体導入部の少なくとも一方に両者の液密性の向上のためにシール部材（例えば、Ｏリング）を設けることが好ましい。
【００１８】
液体収容部１０２においては、液体導入部１０３から導入された液体の加熱、濃縮、撹拌、混合、化学反応、生化学反応といった処理を行うことができ、その場合は液体収容部１０２に各処理を進行させるための素子を装着することができる。一つの例としては、液体収容部１０２に発熱体素子を装着し、導入された液体の加熱や攪拌を行うことができる。
【００１９】
液体収容部１０２においては、液体導入部１０３から液体が導入される前から液体が収容されていてもよく、その場合は新たに導入された液体との加熱、濃縮、撹拌、混合、化学反応、生化学反応といった処理を行うことができる。
【００２０】
本発明の液体搬送装置の各部位は同一基体上にそれぞれ複数設けられていてもよく、とりわけ複数の液体導入部１０３から異種類の液体が同一の収容部１０２へ導入される場合、液体収容部１０２中で各溶液の加熱、濃縮、撹拌、混合、化学反応、生化学反応といった処理を行うことができる。
【００２１】
また、基体には液体処理装置同士の脱着を行うための脱着用凹部１０８と脱着用凸部１０９が搭載されている。
本発明の液体搬送装置の各部位の基体上の位置は機械強度上問題が無ければ特に制限させるものでは なく、後述する液体処理装置で最適化が図れるような位置決めをすることができる。
【００２２】
図２は本発明の液体流路装置の一単位の液体搬送装置の実施形態の他の例であり、液体を吐出するために利用されるエネルギーとして液体導出部を加圧するための振動板と該振動板に積層された平板状の圧電素子を有するピエゾ型インクジェット方式の液体搬送装置の概念図である。圧電素子の形状としては、特に制限はないが、液体搬送装置の小型化を考慮した場合、平板形状が好ましい。
【００２３】
図２に示す液体搬送装置は、基体２０１上に一体化して設けられた液体収容部２０２、液体導入部２０３、液体導出部２０４から構成され、液体導出部は液体を吐出させる吐出口２０５と吐出のためのエネルギーを与える圧電素子２０６及び吐出液の逆流を防止する逆止弁２０７から構成される。振動板は圧電素子２０６が接触している位置の基体が兼ねている。液体は液体導入部２０３から液体収容部２０２に送られ、液体導出部の吐出口２０５から吐出される。
【００２４】
液体収容部２０２においては、液体導入部２０３から導入された液体の加熱、濃縮、撹拌、混合、化学反応、生化学反応といった処理を行うことができ、その場合は液体収容部２０２に各処理を進行させるための素子を装着することができる。一つの例としては、液体収容部２０２に発熱体素子を装着し、導入された液体の加熱や攪拌を行うことができる。
【００２５】
液体収容部２０２においては、液体導入部２０３から液体が導入される前から液体が収容されていてもよく、その場合は新たに導入された液体との加熱、濃縮、撹拌、混合、化学反応、生化学反応といった処理を行うことができる。
【００２６】
本発明の液体搬送装置の各部位は同一基体上にそれぞれ複数設けられていてもよく、とりわけ複数の液体導入部２０３から異種類の液体が同一の液体収容部２０２へ導入される場合、液体収容部２０２中で各溶液の加熱、濃縮、撹拌、混合、化学反応、生化学反応といった処理を行うことができる。
【００２７】
また、基体には液体処理装置同士の脱着を行うための脱着用凹部２０８と脱着用凸部２０９が搭載されている。
本発明の液体搬送装置の各部位の基体上の位置は機械強度上問題が無ければ特に制限させるものではなく、後述する液体処理装置で最適化が図れるような位置決めをすることができる。
【００２８】
図７に図１及び図２で示した、本発明の実施形態の液体処理手段を構成する液体搬送装置の脱着部の一例を示すが、特にこれに限られるものではない。（ｂ）は着脱用凹部の正面図であり、（ａ）はそのａ−ａ´面における断面図である。また、（ｄ）は、脱着用凸部の脱着用凹部に挿入する際の正面図であり、（ｃ）はそのａ−ａ´面における断面図である。（ｆ）は、脱着用凸部の、脱着用凹部に挿入した後の正面図であり、（ｅ）はそのａ−ａ´面における断面図である。また、（ｇ）に凹部と凸部が結合している状態の断面の概念図を示す。（ｃ）及び（ｄ）に示すように、脱着用凸部は挿入の際には７０２部分は７０３に下方の圧力を加えることにより押し下げられており、（ｂ）に示す脱着用凹部の口に挿入し得る大きさとなっている。挿入後、７０３にかかる圧力を開放することにより、ばね作用を示す７０３は形状を回復すべく（ｅ）に示すように上方に上がる。それに伴い７０２も上方に上がる。（ｈ）に示すように７０２の幅は７０３のそれよりも広くなっているため。（ａ）に示す７０１の部分の存在によって（ｇ）のように結合が固定される。なお、結合部分を分離する場合には、挿入時と同様に７０３に下方圧力をかけて押し下げれば簡単に分離することができる。
【００２９】
図３は本発明の液体処理装置の実施形態の一例であり、液体を吐出するために利用されるエネルギーとして液体に膜沸騰を生じさせる熱エネルギーを発生する発熱体素子を有するサーマル型インクジェット方式の液体搬送装置を６体（液体搬送装置３１０、３２０、３３０、３４０、３５０、３６０）組み合わせた液体流路装置の概念図である。
【００３０】
液体搬送装置３１０の液体導入部３１３から導入された液体Ａは、液体収容部３１２に収容され、液体導出部３１４から所望量、所望の頻度で液体搬送装置３２０の液体導入部３２３−１に導入される。一方、液体搬送装置３３０の液体導入部３３３から導入された液体Ｂは、液体収容部３３２に収容され、液体導出部３３４から所望量、所望の頻度で液体搬送装置３２０の液体導入部３２３−２に導入される。液体搬送装置３２０においては、液体導入部３２３−１及び液体導入部３２３−２から導入された液体Ａ及び液体Ｂは液体収容部３２２に収容され、２３６−２に示す発熱素子により加熱・攪拌されて原位置で反応し、液体Ｃに変化する。
【００３１】
液体Ｃは液体導出部３２４から所望量、所望の頻度で液体搬送装置３５０の液体導入部３５３−１に導入される。一方、液体搬送装置３４０の液体導入部３４３から導入された液体Ｄは、液体収容部３４２に収容され、液体導出部３４４から所望量、所望の頻度で液体搬送装置３５０の液体導入部３５３−２に導入される。液体搬送装置３５０においては、液体導入部３５３−１及び液体導入部３５３−２から導入された液体Ｃ及び液体Ｄは液体収容部３５２に収容され、２５６−２に示す発熱素子により加熱・攪拌されて原位置で反応し、液体Ｅに変化する。
【００３２】
液体Ｅは液体導出部３５４から所望量、所望の頻度で液体搬送装置３６０の液体導入部３６３を通して液体収容部３６２に収容され、２６６−２に示す発熱素子により加熱・攪拌されて原位置で化学変化を起こし、液体Ｆとなる。液体Ｆは液体導出部３６４から所望量、所望の頻度で分離精製や検出等の異なる工程へ搬送される。
【００３３】
図４は、図３で示した本発明の液体処理装置の実施形態の一例の概略外観図である。図に示すようにそれぞれの液体搬送装置はユニットとして独立しており、カセット式に脱着可能な形となっている。この様な形状となっていることにより、反応に応じてユニットを迅速に交換することができ、またつまりや汚れが生じた場合でもその原因となるユニットを交換することで迅速に反応系を復帰させることができる。
【００３４】
本発明の一形態で用いる発熱体素子の構成の具体例を、図６に示す。発熱体素子６０１は、基板６０５上に形成されており、薄膜抵抗体６０３の上下両面を絶縁体の保護層６０２で挟んだ構成となっている。薄膜抵抗体６０３の材質としては、金属材料、導電性を持たせたシリコン等の半導体材料が挙げられる。保護層６０２により、薄膜抵抗体の表面を化学反応から保護することが可能である。保護層６０２の材質としては、薬品耐性が高いものが好ましい。例えば、ＳｉＯ２やＳｉ３ Ｎ４ 等の絶縁材料、Ｔａ等の金属材料が挙げられる。また、薄膜抵抗体の両端は、保護層６０２に形成したコンタクトホールを介して電極６０４に電気的に接続されている。電極６０４を介して薄膜抵抗体の両端に電圧を印加することにより、発熱体素子を加熱することができる。
【００３５】
以上では、発熱体素子により流体を吐出する場合を述べたが、例えば従来公知のインクジェットヘッド等で用いられる圧電体素子や静電アクチュエータを用いて流体を吐出しても良い。
【００３６】
以上により、本発明の液体流路装置を用いることにより、流路は基本的に液体導出部と液体導入部のみであるため、つまり、汚れの問題が生じにくく、また実際に不具合が生じた場合には該当する液体搬送装置を交換することで、簡便で迅速な回復操作を行うことができる。また、一連の反応の途中で液体搬送装置を交換することにより反応液の組成や反応条件を変化させることができる。また、それぞれの液体を移動させるための手段がそれぞれの液体搬送装置に搭載されたインクジェット機能を有する液体導出部であるため、制御がし易く、装置として小型化することが可能である。
【００３７】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明を、より詳細に説明する。なお実施例中における、寸法、形状、材質、反応条件等は、一例であり、本発明の要件を満たす範囲内であれば、任意に変更することができる。
【００３８】
実施例１
ラット肝臓中カルニチンパルミトイル転移酵素活性の測定
冷生理食塩水で洗浄したラットの肝臓の一部（約３ｇ）を２０ｍｌのホモジナイズ用緩衝液（０．２５Ｍショ糖液、１ｍＭ ＥＤＴＡを含む３ｍＭトリス塩酸（ｐＨ７．２））でホモジナイズし、５００ｘｇで１０分間（４℃）遠心する。得られた上澄を他の遠心チューブに移し、９，０００ｘｇで１０分間（４℃）遠心し、上澄として検体サンプルを得る。なお、「Ｍ」は「ｍｏｌ／ｌ」の濃度の単位を示す。
【００３９】
緩衝液（１６ｍＭトリス−塩酸緩衝液、２．５ｍＭ ＥＤＴＡ、０．２％トリトンＸ−１００（商品名；キシダ化学社製）；ｐＨ８．０、０．５ｍｌ）、酵素源０．００５ｍｌを入れ、水を加えて最終容量を０．９７ｍｌとする。よく混合し、そのうちの１００μｌを３０℃に保温した液体搬送装置８１に導入する。なお、本実施例は図８に示す液体流路装置を用いて行った。また、それとは別に、上記の検体サンプル溶液１０μｌを液体搬送装置８２に、５ｍＭのＤＴＮＢ（５，５′−ｄｉｔｈｉｏｂｉｓ（２−ｎｉｔｒｏｂｅｎｚｏａｔｅ））水溶液１００μｌを液体搬送装置８３にそれぞれ導入する。更に、８０μＭのパルミトイル−ＣｏＡ溶液（商品名；ＳＩＧＭＡ社製）１００μｌを液体搬送装置８４に導入する。それ以外に液体収納部に何も入っていない液体搬送装置８５を用意する。
【００４０】
図８に示す様に、液体搬送装置８１には液体導入口が二箇所あり、それらの導入口が液体搬送装置８２及び８３のそれぞれの吐出口に位置的に合致するようこれら３つの液体搬送装置を組み合わせる。また、液体搬送装置８５にも液体導入口が二箇所あり、それらの導入口が液体搬送装置８１及び８４のそれぞれの吐出口に位置的に合致するようこれら５つの液体搬送装置を組み合わせる。
【００４１】
まず液体搬送装置８１に液体搬送装置８２から１μｌ、液体搬送装置８３から５μｌ導入されるように制御を開始する。その後、液体搬送装置８１の収容部を３０℃で３０秒間保持し、その後液体搬送装置８５に液体搬送装置８１及び液体搬送装置８４からそれぞれ５０μｌずつ導入されるように制御する。液体搬送装置８４は３０℃に保持し、液体搬送装置８５から２０秒ごとに５μｌずつ吐出させ、緩衝液で希釈して５００ｎｍの光吸収を測定する。
本装置によって、微小な液体でのラット肝臓中カルニチンパルミトイル転移酵素活性の経時的変化の測定が可能である。
【００４２】
以上説明した様に、本発明の複合液体搬送装置により、微小な液体の効率的な搬送及び効率的な処理が可能となる効果が得られる。
また、本発明の複合液体処理装置を用いることにより、流路は基本的に液体導出部と液体導入部のみであるため装置の汚れの問題が生じにくく、また装置に不具合が生じた場合には該当する液体搬送装置を交換することができ、簡便で迅速な回復操作を行うことができ、また一連の反応の途中で液体搬送装置を交換することにより反応液の組成や反応条件を変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の一例である発熱体素子を用いた液体搬送装置を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態の一例である圧電素子を用いた液体搬送装置を示す模式図である。
【図３】本発明の実施形態の一例である液体搬送装置を６体連結された模式図である。
【図４】図３で示した複合液体搬送装置の外観模式図である。
【図５】従来のマイクロリアクタを示す模式図である。
【図６】本発明の一形態で用いる発熱体素子の断面模式図である。
【図７】本発明の液体搬送装置に設けられた脱着部を示す模式図である。
【図８】本発明の実施例に用いた複合液体搬送装置を示す模式図である。
【符号の説明】
１０１ ２０１ 基体
１０２ ２０２ 液体収容部
１０３ ２０３ 液体導入部
１０４ ２０４ 液体導出部
１０５ ２０５ 吐出部
１０６ 発熱体素子
１０７ ２０７ 逆止弁
１０８ ２０８ 脱着用凹部
１０９ ２０９ 脱着用凸部
２０６ 圧電素子
３１０ ３２０ ３３０ ３４０ ３５０ ３６０ 液体搬送装置
５０１ マイクロリアクタ
５０２ リザーバセル
５０３ 混合セル
５０４ 反応セル
５０５ 検出セル
５０６ 分離セル
６０１ 発熱体素子
６０２ 保護層
６０３ 薄膜抵抗体
６０４ 電極
６０５ 基板
７０１ 脱着用凸部
７０２ 脱着用凹部
８１〜８５ 液体搬送装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、小型化分析システム（μＴＡＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）等において用いられるマイクロリアクタにおける、微量液体を搬送する液体搬送装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
近年、立体微細加工技術の発展に伴い、ガラスやシリコン等の基板上に、微小な流路とポンプ、バルブ等の液体素子およびセンサを集積化し、その基板上で化学分析を行うシステムが注目されている。これらのシステムは、小型化分析システム、μ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）あるいはＬａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐと呼ばれている。化学分析システムを小型化することにより、無効体積の減少や試料の分量の大幅な低減が可能となる。また、分析時間の短縮やシステム全体の低消費電力化が可能となる。さらに、小型化によりシステムの低価格を期待することができる。μ−ＴＡＳは、システムの小型化、低価格化および分析時間の大幅な短縮が可能なことから、在宅医療やベッドサイドモニタ等の医療分野、ＤＮＡ解析やプロテオーム解析等のバイオ分野での応用が期待されている。
【０００３】
特開平１０−３３７１７３号公報においては、溶液を混合して反応を行った後、定量及び分析をしてから分離するという一連の生化学実験操作をいくつかのセルの組み合わせによって実現可能なマイクロリアクタが開示されている。図５にマイクロリアクタ５０１の概念を模式的に示す。マイクロリアクタ５０１は、シリコン基板上に平板で密閉された独立した反応チャンバを有している。このリアクタは、リザーバセル５０２、混合セル５０３、反応セル５０４、検出セル５０５、分離セル５０６が組み合わされている。このリアクタを基板上に多数個形成することにより、多数の生化学反応を同時に並列的に行うことができる。さらに、単なる分析だけでなく、タンパク質合成などの物質合成反応もセル上で行うことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この様なマイクロリアクタを作動させる場合に於いては、次に示す幾つかの課題が存在する。即ち、基板上に設けられた各流路の径は数十μｍから数百μｍといった微細なものであり、様々な液体が流れることにより詰まり、汚れの問題が生じ、その回復操作が煩雑である。そこである一部分で詰まり等の不具合が生じた場合に、全てが一体で作成されているため、マイクロリアクタそのものを取り替えなければならない。また、マイクロリアクタを用いた一連の反応操作において、途中で反応液の組成や反応条件を変化させることが困難である。
【０００５】
更に、それぞれの液体を移動させるための手段として、電気浸透流や電気泳動のような電気的な方法、及びポンプのような機械的な方法が用いられるが、前者の場合はそれぞれの流量や流速が液体の性質により著しく影響を受け、これらを個別に制御する操作は非常に煩雑であり、後者の場合は現状ポンプが外付けとなり装置が大型化し、ポンプと流路とを繋ぐコネクタの部分も漏れの原因となりやすい。
【０００６】
そこで本発明は、微小な液体の効率的な搬送及び効率的な処理を可能とする液体搬送装置及び液体流路装置の製造方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、液体を収容するための液体収容部と、前記液体収容部に前記液体を導入するための液体導入部と、前記液体収容部に導入される液体を導出するための液体導出部とを有する液体搬送装置であって、複数の前記液体搬送装置を連結させたときに、一方の前記液体搬送装置の前記液体導入部と他方の前記液体搬送装置の前記液体導出部とが連通するように前記液体導入部と前記液体導出部とが配置されていることを特徴とする液体搬送装置である。
【０００８】
前記液体導入部と前記液体導出部の少なくとも一方が、連結時の液密性を保持するためのシール部材を備えることが好ましい。
前記液体収容部は、前記液体導入部から導入された液体を加熱、濃縮、撹拌、混合、化学反応及び生化学反応のうちの少なくとも一つの処理を行うための処理手段を備えることが好ましい。
前記液体導出部が、逆止弁を備えることが好ましい。
【０００９】
前記液体導出部は、前記液体に吐出のためのエネルギーを与えるエネルギー付与手段を有することが好ましい。
【００１０】
また、本発明は、液体を収容するための液体収容部と、前記液体収容部に前記液体を導入するための液体導入部と、前記液体収容部に導入される液体を導出するための液体導出部とを有し、前記液体搬送装置を隣接させたときに、一方の液体搬送装置の液体導出部と他方の液体搬送装置の液体導入部とを連通させて、前記一方の液体搬送装置の液体導入部から他方の液体搬送装置の液体導出部連続する液体流路を有する液体流路装置の製造方法である。
【００１１】
互に隣接する一方の液体搬送装置の液体導出部と、他方の液体搬送装置の液体導入部とを脱着及び連結する工程とを更に有するのが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は、液体搬送装置は、液体を収容するための液体収容部と、前記液体収容部に前記液体を導入するための液体導入部と、前記液体収容部に導入される液体を導出するための液体導出部とを有する液体搬送装置であって、複数の前記液体搬送装置を連結させたときに、一方の前記液体搬送装置の前記液体導入部と他方の前記液体搬送装置の前記液体導出部とが連通するように前記液体導入部と前記液体導出部とが配置されていることを特徴とする液体搬送装置である。
【００１３】
この場合の各液体処理装置には、液体導入部及び液体導出部は複数設けられていてもよい。
本発明の各液体処理装置は、前記液体収容部において前記液体導入部から吐出された液体を加熱、濃 縮、撹拌、混合、化学反応、生化学反応の少なくとも一つの処理を行う処理手段を備えている。
本発明の各液体処理装置は、吐出された液体の逆流を防止するための逆止弁が前記吐出口に搭載されていることがより望ましい。
【００１４】
本発明の液体処理装置における各液体搬送装置の液体導出部は、液体を吐出するための方法としてエネルギー付与手段を備えたものであり、その中でもとりわけ、液体を吐出するために利用されるエネルギーとして発熱体素子を急速に加熱することにより発生する気泡の膨張によるエネルギーを用いることを特徴とするサーマルジェット方式、及び液体を吐出するために利用されるエネルギーとして液体導出部を加圧するためのに形成された振動版振動板と該振動板に積層された平板状の圧電素子により液体を加熱することにより発生するエネルギーを用いることを特徴とするピエゾジェット方式が好適に用いることができる。
【００１５】
また、本発明の液体搬送方法は、液体を収容するための液体収容部と、前記液体収容部に前記液体を導入するための液体導入部と、前記液体収容部に導入された前記液体の吐出口を有する液体導出部とを有する液体搬送装置を複数個用意して着脱可能に一体に結合する工程と、前記収容部に収容された前記液体を吐出することで、一方の前記液体搬送装置の前記液体導入部から他方の前記液体搬送装置の前記液体導出部に前記液体を搬送する工程とを有することを特徴とする。
また、本発明の液流路装置の製造方法は、液体を収容するための液体収容部と、前記液体収容部に前記液体を導入するための液体導入部と、前記液体収容部に導入される液体を導出するための液体導出部とを有し、前記液体搬送装置を隣接させたときに、一方の液体搬送装置の液体導出部と他方の液体搬送装置の液体導入部とを連通させて、前記一方の液体搬送装置の液体導入部から他方の液体搬送装置の液体導出部連続する液体流路を有することを特徴とする。
【００１６】
図１は本発明の液体流路装置の一単位の液体搬送装置の実施形態の一例であり、液体を吐出するために利用されるエネルギーとして液体に膜沸騰を生じさせる熱エネルギーを発生する発熱体素子を有するサーマル型インクジェット方式の液体搬送装置の概念図である。
【００１７】
図１に示す液体搬送装置は、基体１０１上に一体化されて設けられた液体収容部１０２、液体導入部１０３、液体導出部１０４から構成され、液体導出部は液体を吐出させる吐出口１０５と吐出のためのエネルギーを与える発熱体素子１０６及び吐出液の逆流を防止する逆止弁１０７から構成される。液体は液体導入部１０３から液体収容部１０２に送られ、液体導出部の吐出口から吐出される。一方の液体搬送装置の吐出口と他方の液体搬送装置の液体導入部とが連通されており、一方の液体搬送装置の吐出口から吐出された液体は、他方の液体搬送装置の液体導入部へと搬送される。図示していないが吐出口と液体導入部の少なくとも一方に両者の液密性の向上のためにシール部材（例えば、Ｏリング）を設けることが好ましい。
【００１８】
液体収容部１０２においては、液体導入部１０３から導入された液体の加熱、濃縮、撹拌、混合、化学反応、生化学反応といった処理を行うことができ、その場合は液体収容部１０２に各処理を進行させるための素子を装着することができる。一つの例としては、液体収容部１０２に発熱体素子を装着し、導入された液体の加熱や攪拌を行うことができる。
【００１９】
液体収容部１０２においては、液体導入部１０３から液体が導入される前から液体が収容されていてもよく、その場合は新たに導入された液体との加熱、濃縮、撹拌、混合、化学反応、生化学反応といった処理を行うことができる。
【００２０】
本発明の液体搬送装置の各部位は同一基体上にそれぞれ複数設けられていてもよく、とりわけ複数の液体導入部１０３から異種類の液体が同一の収容部１０２へ導入される場合、液体収容部１０２中で各溶液の加熱、濃縮、撹拌、混合、化学反応、生化学反応といった処理を行うことができる。
【００２１】
また、基体には液体処理装置同士の脱着を行うための脱着用凹部１０８と脱着用凸部１０９が搭載されている。
本発明の液体搬送装置の各部位の基体上の位置は機械強度上問題が無ければ特に制限させるものでは なく、後述する液体処理装置で最適化が図れるような位置決めをすることができる。
【００２２】
図２は本発明の液体流路装置の一単位の液体搬送装置の実施形態の他の例であり、液体を吐出するために利用されるエネルギーとして液体導出部を加圧するための振動板と該振動板に積層された平板状の圧電素子を有するピエゾ型インクジェット方式の液体搬送装置の概念図である。圧電素子の形状としては、特に制限はないが、液体搬送装置の小型化を考慮した場合、平板形状が好ましい。
【００２３】
図２に示す液体搬送装置は、基体２０１上に一体化して設けられた液体収容部２０２、液体導入部２０３、液体導出部２０４から構成され、液体導出部は液体を吐出させる吐出口２０５と吐出のためのエネルギーを与える圧電素子２０６及び吐出液の逆流を防止する逆止弁２０７から構成される。振動板は圧電素子２０６が接触している位置の基体が兼ねている。液体は液体導入部２０３から液体収容部２０２に送られ、液体導出部の吐出口２０５から吐出される。
【００２４】
液体収容部２０２においては、液体導入部２０３から導入された液体の加熱、濃縮、撹拌、混合、化学反応、生化学反応といった処理を行うことができ、その場合は液体収容部２０２に各処理を進行させるための素子を装着することができる。一つの例としては、液体収容部２０２に発熱体素子を装着し、導入された液体の加熱や攪拌を行うことができる。
【００２５】
液体収容部２０２においては、液体導入部２０３から液体が導入される前から液体が収容されていてもよく、その場合は新たに導入された液体との加熱、濃縮、撹拌、混合、化学反応、生化学反応といった処理を行うことができる。
【００２６】
本発明の液体搬送装置の各部位は同一基体上にそれぞれ複数設けられていてもよく、とりわけ複数の液体導入部２０３から異種類の液体が同一の液体収容部２０２へ導入される場合、液体収容部２０２中で各溶液の加熱、濃縮、撹拌、混合、化学反応、生化学反応といった処理を行うことができる。
【００２７】
また、基体には液体処理装置同士の脱着を行うための脱着用凹部２０８と脱着用凸部２０９が搭載されている。
本発明の液体搬送装置の各部位の基体上の位置は機械強度上問題が無ければ特に制限させるものではなく、後述する液体処理装置で最適化が図れるような位置決めをすることができる。
【００２８】
図７に図１及び図２で示した、本発明の実施形態の液体処理手段を構成する液体搬送装置の脱着部の一例を示すが、特にこれに限られるものではない。（ｂ）は着脱用凹部の正面図であり、（ａ）はそのａ−ａ´面における断面図である。また、（ｄ）は、脱着用凸部の脱着用凹部に挿入する際の正面図であり、（ｃ）はそのａ−ａ´面における断面図である。（ｆ）は、脱着用凸部の、脱着用凹部に挿入した後の正面図であり、（ｅ）はそのａ−ａ´面における断面図である。また、（ｇ）に凹部と凸部が結合している状態の断面の概念図を示す。（ｃ）及び（ｄ）に示すように、脱着用凸部は挿入の際には７０２部分は７０３に下方の圧力を加えることにより押し下げられており、（ｂ）に示す脱着用凹部の口に挿入し得る大きさとなっている。挿入後、７０３にかかる圧力を開放することにより、ばね作用を示す７０３は形状を回復すべく（ｅ）に示すように上方に上がる。それに伴い７０２も上方に上がる。（ｈ）に示すように７０２の幅は７０３のそれよりも広くなっているため。（ａ）に示す７０１の部分の存在によって（ｇ）のように結合が固定される。なお、結合部分を分離する場合には、挿入時と同様に７０３に下方圧力をかけて押し下げれば簡単に分離することができる。
【００２９】
図３は本発明の液体処理装置の実施形態の一例であり、液体を吐出するために利用されるエネルギーとして液体に膜沸騰を生じさせる熱エネルギーを発生する発熱体素子を有するサーマル型インクジェット方式の液体搬送装置を６体（液体搬送装置３１０、３２０、３３０、３４０、３５０、３６０）組み合わせた液体流路装置の概念図である。
【００３０】
液体搬送装置３１０の液体導入部３１３から導入された液体Ａは、液体収容部３１２に収容され、液体導出部３１４から所望量、所望の頻度で液体搬送装置３２０の液体導入部３２３−１に導入される。一方、液体搬送装置３３０の液体導入部３３３から導入された液体Ｂは、液体収容部３３２に収容され、液体導出部３３４から所望量、所望の頻度で液体搬送装置３２０の液体導入部３２３−２に導入される。液体搬送装置３２０においては、液体導入部３２３−１及び液体導入部３２３−２から導入された液体Ａ及び液体Ｂは液体収容部３２２に収容され、２３６−２に示す発熱素子により加熱・攪拌されて原位置で反応し、液体Ｃに変化する。
【００３１】
液体Ｃは液体導出部３２４から所望量、所望の頻度で液体搬送装置３５０の液体導入部３５３−１に導入される。一方、液体搬送装置３４０の液体導入部３４３から導入された液体Ｄは、液体収容部３４２に収容され、液体導出部３４４から所望量、所望の頻度で液体搬送装置３５０の液体導入部３５３−２に導入される。液体搬送装置３５０においては、液体導入部３５３−１及び液体導入部３５３−２から導入された液体Ｃ及び液体Ｄは液体収容部３５２に収容され、２５６−２に示す発熱素子により加熱・攪拌されて原位置で反応し、液体Ｅに変化する。
【００３２】
液体Ｅは液体導出部３５４から所望量、所望の頻度で液体搬送装置３６０の液体導入部３６３を通して液体収容部３６２に収容され、２６６−２に示す発熱素子により加熱・攪拌されて原位置で化学変化を起こし、液体Ｆとなる。液体Ｆは液体導出部３６４から所望量、所望の頻度で分離精製や検出等の異なる工程へ搬送される。
【００３３】
図４は、図３で示した本発明の液体処理装置の実施形態の一例の概略外観図である。図に示すようにそれぞれの液体搬送装置はユニットとして独立しており、カセット式に脱着可能な形となっている。この様な形状となっていることにより、反応に応じてユニットを迅速に交換することができ、またつまりや汚れが生じた場合でもその原因となるユニットを交換することで迅速に反応系を復帰させることができる。
【００３４】
本発明の一形態で用いる発熱体素子の構成の具体例を、図６に示す。発熱体素子６０１は、基板６０５上に形成されており、薄膜抵抗体６０３の上下両面を絶縁体の保護層６０２で挟んだ構成となっている。薄膜抵抗体６０３の材質としては、金属材料、導電性を持たせたシリコン等の半導体材料が挙げられる。保護層６０２により、薄膜抵抗体の表面を化学反応から保護することが可能である。保護層６０２の材質としては、薬品耐性が高いものが好ましい。例えば、ＳｉＯ２やＳｉ３ Ｎ４ 等の絶縁材料、Ｔａ等の金属材料が挙げられる。また、薄膜抵抗体の両端は、保護層６０２に形成したコンタクトホールを介して電極６０４に電気的に接続されている。電極６０４を介して薄膜抵抗体の両端に電圧を印加することにより、発熱体素子を加熱することができる。
【００３５】
以上では、発熱体素子により流体を吐出する場合を述べたが、例えば従来公知のインクジェットヘッド等で用いられる圧電体素子や静電アクチュエータを用いて流体を吐出しても良い。
【００３６】
以上により、本発明の液体流路装置を用いることにより、流路は基本的に液体導出部と液体導入部のみであるため、つまり、汚れの問題が生じにくく、また実際に不具合が生じた場合には該当する液体搬送装置を交換することで、簡便で迅速な回復操作を行うことができる。また、一連の反応の途中で液体搬送装置を交換することにより反応液の組成や反応条件を変化させることができる。また、それぞれの液体を移動させるための手段がそれぞれの液体搬送装置に搭載されたインクジェット機能を有する液体導出部であるため、制御がし易く、装置として小型化することが可能である。
【００３７】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明を、より詳細に説明する。なお実施例中における、寸法、形状、材質、反応条件等は、一例であり、本発明の要件を満たす範囲内であれば、任意に変更することができる。
【００３８】
実施例１
ラット肝臓中カルニチンパルミトイル転移酵素活性の測定
冷生理食塩水で洗浄したラットの肝臓の一部（約３ｇ）を２０ｍｌのホモジナイズ用緩衝液（０．２５Ｍショ糖液、１ｍＭ ＥＤＴＡを含む３ｍＭトリス塩酸（ｐＨ７．２））でホモジナイズし、５００ｘｇで１０分間（４℃）遠心する。得られた上澄を他の遠心チューブに移し、９，０００ｘｇで１０分間（４℃）遠心し、上澄として検体サンプルを得る。なお、「Ｍ」は「ｍｏｌ／ｌ」の濃度の単位を示す。
【００３９】
緩衝液（１６ｍＭトリス−塩酸緩衝液、２．５ｍＭ ＥＤＴＡ、０．２％トリトンＸ−１００（商品名；キシダ化学社製）；ｐＨ８．０、０．５ｍｌ）、酵素源０．００５ｍｌを入れ、水を加えて最終容量を０．９７ｍｌとする。よく混合し、そのうちの１００μｌを３０℃に保温した液体搬送装置８１に導入する。なお、本実施例は図８に示す液体流路装置を用いて行った。また、それとは別に、上記の検体サンプル溶液１０μｌを液体搬送装置８２に、５ｍＭのＤＴＮＢ（５，５′−ｄｉｔｈｉｏｂｉｓ（２−ｎｉｔｒｏｂｅｎｚｏａｔｅ））水溶液１００μｌを液体搬送装置８３にそれぞれ導入する。更に、８０μＭのパルミトイル−ＣｏＡ溶液（商品名；ＳＩＧＭＡ社製）１００μｌを液体搬送装置８４に導入する。それ以外に液体収納部に何も入っていない液体搬送装置８５を用意する。
【００４０】
図８に示す様に、液体搬送装置８１には液体導入口が二箇所あり、それらの導入口が液体搬送装置８２及び８３のそれぞれの吐出口に位置的に合致するようこれら３つの液体搬送装置を組み合わせる。また、液体搬送装置８５にも液体導入口が二箇所あり、それらの導入口が液体搬送装置８１及び８４のそれぞれの吐出口に位置的に合致するようこれら５つの液体搬送装置を組み合わせる。
【００４１】
まず液体搬送装置８１に液体搬送装置８２から１μｌ、液体搬送装置８３から５μｌ導入されるように制御を開始する。その後、液体搬送装置８１の収容部を３０℃で３０秒間保持し、その後液体搬送装置８５に液体搬送装置８１及び液体搬送装置８４からそれぞれ５０μｌずつ導入されるように制御する。液体搬送装置８４は３０℃に保持し、液体搬送装置８５から２０秒ごとに５μｌずつ吐出させ、緩衝液で希釈して５００ｎｍの光吸収を測定する。
本装置によって、微小な液体でのラット肝臓中カルニチンパルミトイル転移酵素活性の経時的変化の測定が可能である。
【００４２】
以上説明した様に、本発明の複合液体搬送装置により、微小な液体の効率的な搬送及び効率的な処理が可能となる効果が得られる。
また、本発明の複合液体処理装置を用いることにより、流路は基本的に液体導出部と液体導入部のみであるため装置の汚れの問題が生じにくく、また装置に不具合が生じた場合には該当する液体搬送装置を交換することができ、簡便で迅速な回復操作を行うことができ、また一連の反応の途中で液体搬送装置を交換することにより反応液の組成や反応条件を変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の一例である発熱体素子を用いた液体搬送装置を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態の一例である圧電素子を用いた液体搬送装置を示す模式図である。
【図３】本発明の実施形態の一例である液体搬送装置を６体連結された模式図である。
【図４】図３で示した複合液体搬送装置の外観模式図である。
【図５】従来のマイクロリアクタを示す模式図である。
【図６】本発明の一形態で用いる発熱体素子の断面模式図である。
【図７】本発明の液体搬送装置に設けられた脱着部を示す模式図である。
【図８】本発明の実施例に用いた複合液体搬送装置を示す模式図である。
【符号の説明】
１０１ ２０１ 基体
１０２ ２０２ 液体収容部
１０３ ２０３ 液体導入部
１０４ ２０４ 液体導出部
１０５ ２０５ 吐出部
１０６ 発熱体素子
１０７ ２０７ 逆止弁
１０８ ２０８ 脱着用凹部
１０９ ２０９ 脱着用凸部
２０６ 圧電素子
３１０ ３２０ ３３０ ３４０ ３５０ ３６０ 液体搬送装置
５０１ マイクロリアクタ
５０２ リザーバセル
５０３ 混合セル
５０４ 反応セル
５０５ 検出セル
５０６ 分離セル
６０１ 発熱体素子
６０２ 保護層
６０３ 薄膜抵抗体
６０４ 電極
６０５ 基板
７０１ 脱着用凸部
７０２ 脱着用凹部
８１〜８５ 液体搬送装置
Claims (6)
- 液体を収容するための液体収容部と、
前記液体収容部に前記液体を導入するための液体導入部と、
前記液体収容部に導入される液体を導出するための液体導出部とを有する液体搬送装置であって、
複数の前記液体搬送装置を連結させたときに、一方の前記液体搬送装置の前記液体導入部と他方の前記液体搬送装置の前記液体導出部とが連通するように前記液体導入部と前記液体導出部とが配置されていることを特徴とする液体搬送装置。 - 前記液体導入部と前記液体導出部の少なくとも一方が、連結時の液密性を保持するためのシール部材を備えることを特徴とする請求項１記載の液体搬送装置。
- 前記液体収容部は、前記液体導入部から導入された液体を加熱、濃縮、撹拌、混合、化学反応及び生化学反応のうちの少なくとも一つの処理を行うための処理手段を備えることを特徴とする請求項１または２記載の液体搬送装置。
- 前記液体導出部が、逆止弁を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の液体搬送装置。
- 前記液体導出部は、前記液体に吐出のためのエネルギーを与えるエネルギー付与手段を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の液体搬送装置。
- 液体を収容するための液体収容部と、
前記液体収容部に前記液体を導入するための液体導入部と、
前記液体収容部に導入される液体を導出するための液体導出部とを有し、
前記液体搬送装置を隣接させたときに、一方の液体搬送装置の液体導出部と他方の液体搬送装置の液体導入部とを連通させて、前記一方の液体搬送装置の液体導入部から他方の液体搬送装置の液体導出部連続する液体流路を有する液体流路装置の製造方法。
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