JP2004069499A - 液体搬送装置およびそれを用いた化学分析装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】チューブ内をプライミングする等の煩雑な操作なしで、化学分析装置に液体試料を導入することが可能な液体搬送装置を提供する。
【解決手段】基体２０１と、前記基体２０１と一体に設けられた液体を吐出する吐出口２０５と、前記吐出口２０５から流路を介して前記液体を吐出させるための液体吐出手段２０６と、前記液体吐出手段に前記液体を供給するための液体タンク２０３とを備え、前記液体タンク２０３は脱着可能であり、かつ前記液体タンクの交換前に、前記流路中の前記液体を排出する排出手段を有する液体搬送装置。
【選択図】 図２
【解決手段】基体２０１と、前記基体２０１と一体に設けられた液体を吐出する吐出口２０５と、前記吐出口２０５から流路を介して前記液体を吐出させるための液体吐出手段２０６と、前記液体吐出手段に前記液体を供給するための液体タンク２０３とを備え、前記液体タンク２０３は脱着可能であり、かつ前記液体タンクの交換前に、前記流路中の前記液体を排出する排出手段を有する液体搬送装置。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、チップ上で化学分析や化学合成を行う小型化分析システム（μＴＡＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）において、液体を搬送するための液体搬送装置およびそれを用いた化学分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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６にマイクロリアクタ６０１の概念を模式的に示す。マイクロリアクタ６０１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、リザーバーセル６０２、混合セル６０３、反応セル６０４、検出セル６０５、分離セル６０６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】
上述の図６に示したようなマイクロリアクタを使用する場合、例えばシリコーンチューブをリザーバーセル６０１に接続しシリンジポンプ等を用いて液体試料をリアクタ内に導入していた。このような場合には、リアクタ内に気泡が混入して流れが阻害されるのを防ぐために、チューブ内をいったん液体試料で満たす必要がある（プライミング）。この作業は非常に手間がかかり煩雑である。
また、実験室等でマイクロリアクタを用いるときに、似たようなチューブが多くあると、接続するチューブを間違えてしまう可能性が増える。
【０００５】
さらに、マイクロリアクタの外部にシリンジポンプが必要となるので、システム全体が大きくなってしまうという問題がある。またディスペンサー等を用いて、リザーバーセルに液体試料を滴下する場合も、同様にマイクロリアクタの外部に大掛かりな装置が必要となる。マイクロリアクタの外部に大きな装置が必要とされる場合には、マイクロリアクタを他の場所に移動させて分析を実施することが困難である。また液体の導入にチューブを用いる場合は、移動中にチューブが絡まる等の問題が生じる可能性がある。このような場合、例えば変質しやすい試料等を採取したその場で分析したい場合に、困難が生ずる場合がある。
【０００６】
本発明は、チューブ内をプライミングする等の煩雑な操作なしで、化学分析装置に液体試料を導入することが可能な液体搬送装置を提供するものである。
さらに本発明は、化学分析装置に導入する液体試料を間違える可能性が低い液体搬送装置を提供するものである。
【０００７】
さらに本発明は、外部にシリンジポンプやディスペンサー等の液体を導入するための機構を必要とすることなく液体の導入や搬送が可能な液体搬送装置を提供するものである。
さらに本発明は、小型でコンパクトであり、持ち運びが容易で、液体試料を採取したその場で分析を実施することが容易な化学分析装置を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、基体と、前記基体と一体に設けられた液体を吐出する吐出口と、前記吐出口から流路を介して前記液体を吐出させるための液体吐出手段と、前記液体吐出手段に前記液体を供給するための液体タンクとを備え、前記液体タンクは脱着可能であり、かつ前記液体タンクの交換に際して、前記交換後の液体タンクと前記流路間の前記液体を排出する排出手段を有することを特徴とする液体搬送装置を提供するものである。
【０００９】
前記液体タンクと前記液体吐出手段との間に、前記液体吐出手段に前記液体を供給するための供給室を更に備えることが好ましい。
前記基体上の複数の前記液体吐出手段から吐出された前記液体を混合するための混合室を更に備えることが好ましい。
前記混合室で混合した液体を吐出するための液体吐出手段を更に備えることが好ましい。
前記基体上に前記混合室に液体を供給するための液体タンクを備えることが好ましい。
【００１０】
前記流路に吐出口と連通して設けられ前記吐出口から吐出された液体が飛翔していく第一の空間部と、前記第一の空間部と連通して前記飛翔していく液体が到達可能な距離内に設けられ前記液体を受入れる第二の空間部を有することが好ましい。
前記供給室、前記供給室から吐出口へ液体を搬送する液体搬送部、前記第一の空間部、前記第二の空間部及び前記混合室のうち少なくともいずれかを外気から遮断するための遮断部を備えることが好ましい。
前記液体吐出手段は発熱体素子であることが好ましい。
【００１１】
また、本発明は、上記の液体搬送装置を用いて液体を搬送することを特徴とする化学分析装置を提供するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
図１は本発明の液体搬送装置を用いた化学分析装置の一形態を示す概念図である。以下、図１に示した化学分析装置を用いて、液体試料を成分ごとに分離し検るする場合を例にとり説明する。
【００１３】
図１に示した化学分析装置は、基体１０１上に液体タンク１０２〜１０４を有する。図２に示した液体搬送装置により、液体タンクから化学分析装置に液体が導入される。液体搬送装置に関しては、後の項で詳しく説明する。流路１０５〜１０７に供給されたそれぞれの液体は、混合室１０８に導入され、そこで混合される。混合した液体は、基板１０１上に形成されたポンプ１１０により、流路１０９を介して分離部１１１に送液され、ここで成分ごとに分離される。分離の方法としては、例えば液体クロマトグラフィ法、電気泳動法等が挙げられる。成分ごとに分離された液体は、流路１１２を介して検出部１１３に導入され、ここで検出される。検出の方法としては、例えば電気化学的検出方法、蛍光を用いた検出方法等が挙げられる。検出された試料は、排出口１１４から、装置外に排出される。なお、図１においては装置内の液体を外気から遮断するための遮断部は、省略してある。
【００１４】
本発明の化学分析装置では、液体タンクがチューブを介することなく直接基体上に設置されているので、従来技術と異なりチューブ内をプライミングする等の煩雑な作業が不要となる。
【００１５】
さらに、本発明の化学分析装置では、液体タンク上に試料の種類を書いたラベル等を貼っておくことにより、チューブを用いる場合と比較して、化学分析装置内に導入する液体試料の種類を間違える可能性が小さくなる。
さらに、本発明の化学分析装置では、液体タンクを用いて液体を化学分析装置内に導入するので、装置外部にポンプやディスペンサー等を設置する必要がない。これにより、低コストで小型な化学分析装置を実現することが可能である。
【００１６】
さらに本発明の化学分析装置では、チューブ等がなく、全てが基板上に形成されているので、持ち運びが容易であり、試料を採取したその場で分析を実施することが容易となる。
液体タンク１０２−１０４は着脱可能である。これにより、タンク内の液体試料が無くなった場合や、異なる液体試料を分析装置内に導入する場合は、交換することができる。
【００１７】
液体タンクの材質は、液体試料に対して耐性がある材質であれば特に制限は無いが、加工の容易さからポリプロピレン等の樹脂材料が好ましい。また、光照射により変質しやすい液体試料の場合は、光が透過しない材料で液体タンクを作製することが好ましい。
【００１８】
液体タンクを交換した直後は、古い液体試料や種類の異なる液体試料が混合室内に残留している可能性があるので、混合室内の液体を外部に排出する必要が生じる場合がある。このような場合は、通常の分析時は閉状態である弁１１６を開状態とすることにより、流路１１５を介して混合室内の液体を排出部１１４へ送液し、外部へ排出してもよい。この場合、流路１１５は、流路１０９に比べて、液体の流れ方向に垂直な断面を大きくし、流路抵抗を小さくすることが好ましい。これにより速やかに、混合室中の不要な液体を排出することが可能となる。
【００１９】
図２は、本発明の液体搬送装置の一形態を示す概念図である。図２の液体搬送装置は、基体２０１上に一体化した吐出口２０５を有する液体搬送部２０２、吐出口２０５から吐出された液滴（液体）２０９を飛翔させるための第一の空間部２１０、第一の空間部２１０と連通した第二の空間部２０４を有する。第二の空間部２０４は、吐出口２０５から吐出された液滴２０９が到達可能な距離内に位置している。また吐出口２０５内の液体と第二の空間部２０４内の液体は、第一の空間部内の気体により分離されている。これにより第二の空間部内の液体が液体搬送装置側に逆流して、液体搬送装置内の液体と混合もしくは反応することはない。このため、第二の空間部内の液体が液体搬送部に逆流するのを防ぐために、マイクロバルブ等の複雑な機構を設ける必要がない。
【００２０】
図２の液体搬送装置はさらに、液体搬送部２０２に液体を供給するための供給室２０７、供給室２０７に液体供給するための液体タンク２０３を有する。液体タンク２０３は、基体に対し着脱可能となっており、交換が可能である。液体タンク２０３内は、例えばスポンジ等の多孔質の物質で満たされていても良い。これにより、液体搬送部内に負圧が発生するので、液体搬送部２０２内の液体が、第一の空間部２１０内に移動するのを防ぐことができる。これ以外にも例えば、第一の空間部２１０の内壁に、液体の種類に応じて撥水処理や親水処理等の表面処理を施すことにより、第一の空間部内に液体が移動するのを防ぐことができる。
【００２１】
液体搬送部２０２には、液体内に気泡を発生するための発熱体素子２０６が形成されている。
【００２２】
また第二の空間部２０４および液体搬送部２０２内の液体は、遮断部２０８により外気から遮断されている。これにより、大気に触れると変質する恐れにある液体に関しても、変質することなく搬送することが可能となる。遮断部２０８はガラス等の光を透過する材料であっても、透過しない材料であっても良い。光透過性の材料を用いることにより、搬送の状況を外部から確認することが可能となる。一方、光に当たることで変質する恐れのある液体を搬送する場合は、光を透過しない材質により遮断部を形成することが好ましい。
【００２３】
また、液体タンクの交換に際して、液体搬送部２０２、流路２０４及び供給室２０７に存在する古い液体試料を排出する必要がある。例えば、排出流路２１１からポンプで流路中の液体を引くことで排出する方法や、供給室２０７側から流路２０４方向に洗浄液を流すことで排出する方法などを用いて古い液体を排出する。ここで、液体タンクの交換に際してとは、液体タンクの交換の前でも後でもよい。
また、液体タンクを交換したときに、わずかではあるが、気泡の混入が考えられるが、上述の排出工程により同時に気体も排出される。
【００２４】
以下、図２に示した液体搬送装置の液体搬送の方法について説明する。
液体タンク２０３より供給室２０７に供給された液体は、まず発熱体素子２０６を有する液体搬送部２０２に送られる。発熱体素子２０６は薄膜抵抗体と該薄膜抵抗体にパルス電圧を印加するための配線（不図示）よりなる。薄膜抵抗体上に液体が存在した状態で、薄膜抵抗体にパルス電圧を印加し、膜沸騰が生じる温度まで温度を急激に上昇させることにより気泡が発生する。発生した気泡は、急激に膨張する。この気泡の急激な膨張に基づく作用力により吐出口２０５より液体試料が押し出され、吐出液滴２０９が形成される。吐出液滴２０９は、第一の空間部２１０中を飛翔し第二の空間部２０４に到達する。膨張した気泡は、やがて収縮に転じ、さらに時間がたつと消滅する。気泡が発生してから消滅するまでに要する時間は数μｓｅｃ〜２０μｓｅｃ程度であり、最大１０数ｋＨｚ程度の繰り返し周波数で、気泡の膨張と収縮を繰り返し、液体試料を吐出させ液体搬送部２０２から第二の空間部２０４に搬送することが可能である。第二の空間部２０４に搬送された液体は、さらに、流路や例えば複数の液体を混合するための混合室に送られる。
【００２５】
上記録では、第二の空間部２０４を介して液体を流路や混合室等に搬送する場合を述べたが、第二の空間部２０４を介さずに液体搬送部２０２から、直接、流路や混合室等に液体を搬送する実施形態もある。
【００２６】
発熱体素子の構成の具体例を、図３に示す。発熱体素子３０１は、基板３０５上に形成されており、薄膜抵抗体３０３の上下両面を絶縁体の保護層３０２で挟んだ構成となっている。薄膜抵抗体３０３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３０２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３０２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Ｓｉ３Ｎ４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３０２に形成したコンタクトホールを介して電極３０４に電気的に接続されている。電極３０４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。
【００２７】
上記では、発熱体素子により気泡を発生させ液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液体を吐出しても良い。
【００２８】
【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、作製条件、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、設計事項として任意に変更できるものである。
【００２９】
実施例１
本実施例では、本発明の液体搬送装置を作製方法について説明する。以下、図４に示した工程図を用いて本実施例の化学分析装置の作製方法を説明する。
【００３０】
まず、シリコン基板（たて２０ｍｍ、よこ２０ｍｍ）４０１上に、薄膜抵抗体と該薄膜抵抗体にパルス電圧を印加するための電極（不図示）よりなる発熱体素子４０２を形成した。薄膜抵抗体の材質としては、Ｐ（リン）イオンを導入することにより導電性を持たせた多結晶シリコンを用いた。薄膜抵抗体の表面は、保護層であるＳｉＮ膜（不図示）で覆われた構造とした（図４（ａ））。本実施例の発熱体素子の構成は、図３に示したものと同様の構成である。
【００３１】
次に、フォトリソグラフィ法によりフォトレジストパターンを形成した。該フォトレジストパターンをエッチングマスクとして、ＳＦ６ガスおよびＣ４Ｆ８ガスを用いてドライエッチングを行い、供給室４０３および第一の空間部４０４を形成した（図４（ｂ））。このとき発熱体素子４０２は、フォトレジストにより保護されている。
【００３２】
次に、第二の空間部４０５および第一の空間部４０４の上部および供給室４０３の上部を、フォトリソグラフィとドライエッチングにより形成したシリコン基板４０６を、エポキシ系接着剤を用いて、シリコン基板４０１に貼り合わせた。さらに、ガラスよりなる遮断部４０７を、シリコン基板４０６にエポキシ系接着剤を用いて貼り合わせた。遮断部４０７には、液体タンクから供給室４０３に液体を供給するための液体供給口４０８を、あらかじめエッチングにより形成しておいた（図４（ｃ））。
【００３３】
次に、ポリプロピレンよりなる液体タンク４０９を作製し、液体タンク内に液体を充填した状態で液体供給口４０８に装着した（図４（ｄ））。液体タンク４０９には、爪部４１１が設けられており、爪部４１１を液体供給口４０８に引っ掛けることにより固定することが可能となっている。この工程により供給室４０３および液体搬送部４１０は液体により満たされた。
以上の工程により図２に概念図を示した液体搬送装置を作製することができた。
【００３４】
実施例２
本実施例では、図２示した液体搬送装置を組み合わせることにより、図５に示した化学分析装置を作製した。図５は、図２におけるＢ−Ｂ’断面図に対応する断面図である。本実施例の化学分析装置は、フォトリソグラフィのフォトマスクを変更するのみで、実施例１の作製方法で作製することが可能である。
【００３５】
本実施例の化学分析装置では、基板（たて２５ｍｍ、よこ４０ｍｍ）上に、混合室５０１、供給室５０２〜５０４、混合室５０５、供給室５０６が形成されている。混合室５０１、供給室５０２〜５０４、５０６には、液体を供給するための液体タンク５１１〜５１４、５１６が設置されている。図５においては、各液体タンクを点線でしめした。さらに、混合室５０１および５０５、供給室５０２〜５０４には、下流側の混合室に液体を搬送するための発熱体素子５２１〜５２５および吐出液滴が飛翔するための第一の空間部５３１〜５３５が設置されている。各供給室および混合室間は、これらの第一の空間部により分離されており、各供給室および混合室間の液体が混じりあうことはない。図５において、各第一の空間部中を飛翔する吐出液滴の方向を矢印で示した。
【００３６】
図５に示した化学分析装置を用いて、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を実施した。以下にその手順を示す。
まず、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）に水を加えて良く混合する。該溶液を液体タンク５１１に入れる。液体タンク５１１を混合室５０１上に配置することにより、混合室５１１内に該溶液が導入される。なお、「Ｍ」は、「ｍｏｌ／ｌ」の濃度の単位を示す。
【００３７】
次に、冷生理食塩水で洗浄したラットの肝臓の一部（約３０ｇ）を２００ｍｌ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。得られた検体サンプル溶液を液体タンク５１２に入れ、供給室５０２上に配置する。これにより供給室５０２に、検体サンプルが導入される。
【００３８】
同様に、５ｍＭのＤＴＮＢ水溶液を供給室５０３に導入する。
同様に、８０μＭのパルミトイル−ＣｏＡ溶液（商品名；ＳＩＧＭＡ社製）を供給室５０４に導入する。
同様に、緩衝液（１６ｍＭトリス−塩酸緩衝液、２．５ｍＭ ＥＤＴＡ、０．２％トリトンＸ−１００（ｐＨ８．０）；０．５ｍｌ）に水を加えた溶液を供給室５０６に導入する。
【００３９】
この状態で、発熱体素子５２２を駆動することにより、供給室５０２内の液体を混合室５０１に搬送する。同時に、発熱体素子５３３を駆動することにより、供給室５０３内の液体を混合室５０１に搬送する。この状態を１分間保持する。次に、発熱体素子５３１を駆動することにより、混合室５０１内の液体を混合室５０５に搬送する。同時に、発熱体素子５２４を駆動することにより、供給室５０４内の液体を混合室５０５に搬送する。この状態を１分間保持する。
【００４０】
次に、発熱体素子５２５を駆動することにより、混合室５０５内の液体を供給室５０６に導入する。
その後、供給室５０６の液体を検出部に搬送し、波長５００ｎｍの光吸収を測定することにより、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変化を測定することができた。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の液体搬送装置では、液体タンクを用いて液体を液体搬送部に供給することにより、外部にポンプにディスペンサー等を配置することなく液体を供給することが可能となった。
本発明により、チューブ内をプライミングする等の煩雑な操作なしで、化学分析装置に液体試料を導入することが可能な液体搬送装置を提供することができた。
【００４２】
本発明により、化学分析装置に導入する液体試料を間違える可能性が低い液体搬送装置を提供することができた。
本発明により、外部にシリンジポンプやディスペンサー等の液体を導入するための機構を必要とすることなく液体の導入や搬送が可能な液体搬送装置を提供することができた。
本発明により、小型でコンパクトであり、持ち運びが容易で、液体試料を採取したその場で分析を実施することが容易な化学分析装置を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液体搬送装置を用いた化学分析装置を示す概念図である。
【図２】本発明の液体搬送装置を示す説明図である。
【図３】本発明の液体搬送装置に用いる発熱体素子を示す説明図である。
【図４】本発明の液体搬送装置の作製方法を示す工程図である。
【図５】本発明の液体搬送装置を用いた化学分析装置を示す概念図である。
【図６】従来技術のマイクロリアクタを示す概念図である。
【符号の説明】
１０１ 基体
１０２〜１０４ 液体タンク
１０５〜１０７ 流路
１０８ 混合室
１０９ 流路
１１０ ポンプ
１１１ 分離部
１１２ 流路
１１３ 検出部
１１４ 排出口
１１５ 流路
１１６ 弁
２０１ 基体
２０２ 液体搬送部
２０３ 液体タンク
２０４ 第二の空間部
２０５ 吐出口
２０６ 発熱体素子
２０７ 供給室
２０８ 遮断部
２０９ 吐出液滴
２１０ 第一の空間部
３０１ 発熱体素子
３０２ 保護層
３０３ 薄膜抵抗体
３０４ 電極
３０５ 基板
４０１ シリコン基板
４０２ 発熱体素子
４０３ 供給室
４０４ 第一の空間部
４０５ 第二の空間部
４０６ シリコン基板
４０７ 遮断部
４０８ 液体供給口
４０９ 液体タンク
４１０ 液体搬送部
４１１ 爪部
５００ 基板
５０１、５０５ 混合室
５０２〜５０４、５０６ 供給室
５１１〜５１４、５１６ 液体タンク
５２１〜５２５ 発熱体素子
５３１〜５３５ 第一の空間部
６０１ マイクロリアクタ
６０２ リザーバセル
６０３ 混合セル
６０４ 反応セル
６０５ 検出セル
６０６ 分離セル
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、チップ上で化学分析や化学合成を行う小型化分析システム（μＴＡＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）において、液体を搬送するための液体搬送装置およびそれを用いた化学分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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６にマイクロリアクタ６０１の概念を模式的に示す。マイクロリアクタ６０１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、リザーバーセル６０２、混合セル６０３、反応セル６０４、検出セル６０５、分離セル６０６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】
上述の図６に示したようなマイクロリアクタを使用する場合、例えばシリコーンチューブをリザーバーセル６０１に接続しシリンジポンプ等を用いて液体試料をリアクタ内に導入していた。このような場合には、リアクタ内に気泡が混入して流れが阻害されるのを防ぐために、チューブ内をいったん液体試料で満たす必要がある（プライミング）。この作業は非常に手間がかかり煩雑である。
また、実験室等でマイクロリアクタを用いるときに、似たようなチューブが多くあると、接続するチューブを間違えてしまう可能性が増える。
【０００５】
さらに、マイクロリアクタの外部にシリンジポンプが必要となるので、システム全体が大きくなってしまうという問題がある。またディスペンサー等を用いて、リザーバーセルに液体試料を滴下する場合も、同様にマイクロリアクタの外部に大掛かりな装置が必要となる。マイクロリアクタの外部に大きな装置が必要とされる場合には、マイクロリアクタを他の場所に移動させて分析を実施することが困難である。また液体の導入にチューブを用いる場合は、移動中にチューブが絡まる等の問題が生じる可能性がある。このような場合、例えば変質しやすい試料等を採取したその場で分析したい場合に、困難が生ずる場合がある。
【０００６】
本発明は、チューブ内をプライミングする等の煩雑な操作なしで、化学分析装置に液体試料を導入することが可能な液体搬送装置を提供するものである。
さらに本発明は、化学分析装置に導入する液体試料を間違える可能性が低い液体搬送装置を提供するものである。
【０００７】
さらに本発明は、外部にシリンジポンプやディスペンサー等の液体を導入するための機構を必要とすることなく液体の導入や搬送が可能な液体搬送装置を提供するものである。
さらに本発明は、小型でコンパクトであり、持ち運びが容易で、液体試料を採取したその場で分析を実施することが容易な化学分析装置を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、基体と、前記基体と一体に設けられた液体を吐出する吐出口と、前記吐出口から流路を介して前記液体を吐出させるための液体吐出手段と、前記液体吐出手段に前記液体を供給するための液体タンクとを備え、前記液体タンクは脱着可能であり、かつ前記液体タンクの交換に際して、前記交換後の液体タンクと前記流路間の前記液体を排出する排出手段を有することを特徴とする液体搬送装置を提供するものである。
【０００９】
前記液体タンクと前記液体吐出手段との間に、前記液体吐出手段に前記液体を供給するための供給室を更に備えることが好ましい。
前記基体上の複数の前記液体吐出手段から吐出された前記液体を混合するための混合室を更に備えることが好ましい。
前記混合室で混合した液体を吐出するための液体吐出手段を更に備えることが好ましい。
前記基体上に前記混合室に液体を供給するための液体タンクを備えることが好ましい。
【００１０】
前記流路に吐出口と連通して設けられ前記吐出口から吐出された液体が飛翔していく第一の空間部と、前記第一の空間部と連通して前記飛翔していく液体が到達可能な距離内に設けられ前記液体を受入れる第二の空間部を有することが好ましい。
前記供給室、前記供給室から吐出口へ液体を搬送する液体搬送部、前記第一の空間部、前記第二の空間部及び前記混合室のうち少なくともいずれかを外気から遮断するための遮断部を備えることが好ましい。
前記液体吐出手段は発熱体素子であることが好ましい。
【００１１】
また、本発明は、上記の液体搬送装置を用いて液体を搬送することを特徴とする化学分析装置を提供するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
図１は本発明の液体搬送装置を用いた化学分析装置の一形態を示す概念図である。以下、図１に示した化学分析装置を用いて、液体試料を成分ごとに分離し検るする場合を例にとり説明する。
【００１３】
図１に示した化学分析装置は、基体１０１上に液体タンク１０２〜１０４を有する。図２に示した液体搬送装置により、液体タンクから化学分析装置に液体が導入される。液体搬送装置に関しては、後の項で詳しく説明する。流路１０５〜１０７に供給されたそれぞれの液体は、混合室１０８に導入され、そこで混合される。混合した液体は、基板１０１上に形成されたポンプ１１０により、流路１０９を介して分離部１１１に送液され、ここで成分ごとに分離される。分離の方法としては、例えば液体クロマトグラフィ法、電気泳動法等が挙げられる。成分ごとに分離された液体は、流路１１２を介して検出部１１３に導入され、ここで検出される。検出の方法としては、例えば電気化学的検出方法、蛍光を用いた検出方法等が挙げられる。検出された試料は、排出口１１４から、装置外に排出される。なお、図１においては装置内の液体を外気から遮断するための遮断部は、省略してある。
【００１４】
本発明の化学分析装置では、液体タンクがチューブを介することなく直接基体上に設置されているので、従来技術と異なりチューブ内をプライミングする等の煩雑な作業が不要となる。
【００１５】
さらに、本発明の化学分析装置では、液体タンク上に試料の種類を書いたラベル等を貼っておくことにより、チューブを用いる場合と比較して、化学分析装置内に導入する液体試料の種類を間違える可能性が小さくなる。
さらに、本発明の化学分析装置では、液体タンクを用いて液体を化学分析装置内に導入するので、装置外部にポンプやディスペンサー等を設置する必要がない。これにより、低コストで小型な化学分析装置を実現することが可能である。
【００１６】
さらに本発明の化学分析装置では、チューブ等がなく、全てが基板上に形成されているので、持ち運びが容易であり、試料を採取したその場で分析を実施することが容易となる。
液体タンク１０２−１０４は着脱可能である。これにより、タンク内の液体試料が無くなった場合や、異なる液体試料を分析装置内に導入する場合は、交換することができる。
【００１７】
液体タンクの材質は、液体試料に対して耐性がある材質であれば特に制限は無いが、加工の容易さからポリプロピレン等の樹脂材料が好ましい。また、光照射により変質しやすい液体試料の場合は、光が透過しない材料で液体タンクを作製することが好ましい。
【００１８】
液体タンクを交換した直後は、古い液体試料や種類の異なる液体試料が混合室内に残留している可能性があるので、混合室内の液体を外部に排出する必要が生じる場合がある。このような場合は、通常の分析時は閉状態である弁１１６を開状態とすることにより、流路１１５を介して混合室内の液体を排出部１１４へ送液し、外部へ排出してもよい。この場合、流路１１５は、流路１０９に比べて、液体の流れ方向に垂直な断面を大きくし、流路抵抗を小さくすることが好ましい。これにより速やかに、混合室中の不要な液体を排出することが可能となる。
【００１９】
図２は、本発明の液体搬送装置の一形態を示す概念図である。図２の液体搬送装置は、基体２０１上に一体化した吐出口２０５を有する液体搬送部２０２、吐出口２０５から吐出された液滴（液体）２０９を飛翔させるための第一の空間部２１０、第一の空間部２１０と連通した第二の空間部２０４を有する。第二の空間部２０４は、吐出口２０５から吐出された液滴２０９が到達可能な距離内に位置している。また吐出口２０５内の液体と第二の空間部２０４内の液体は、第一の空間部内の気体により分離されている。これにより第二の空間部内の液体が液体搬送装置側に逆流して、液体搬送装置内の液体と混合もしくは反応することはない。このため、第二の空間部内の液体が液体搬送部に逆流するのを防ぐために、マイクロバルブ等の複雑な機構を設ける必要がない。
【００２０】
図２の液体搬送装置はさらに、液体搬送部２０２に液体を供給するための供給室２０７、供給室２０７に液体供給するための液体タンク２０３を有する。液体タンク２０３は、基体に対し着脱可能となっており、交換が可能である。液体タンク２０３内は、例えばスポンジ等の多孔質の物質で満たされていても良い。これにより、液体搬送部内に負圧が発生するので、液体搬送部２０２内の液体が、第一の空間部２１０内に移動するのを防ぐことができる。これ以外にも例えば、第一の空間部２１０の内壁に、液体の種類に応じて撥水処理や親水処理等の表面処理を施すことにより、第一の空間部内に液体が移動するのを防ぐことができる。
【００２１】
液体搬送部２０２には、液体内に気泡を発生するための発熱体素子２０６が形成されている。
【００２２】
また第二の空間部２０４および液体搬送部２０２内の液体は、遮断部２０８により外気から遮断されている。これにより、大気に触れると変質する恐れにある液体に関しても、変質することなく搬送することが可能となる。遮断部２０８はガラス等の光を透過する材料であっても、透過しない材料であっても良い。光透過性の材料を用いることにより、搬送の状況を外部から確認することが可能となる。一方、光に当たることで変質する恐れのある液体を搬送する場合は、光を透過しない材質により遮断部を形成することが好ましい。
【００２３】
また、液体タンクの交換に際して、液体搬送部２０２、流路２０４及び供給室２０７に存在する古い液体試料を排出する必要がある。例えば、排出流路２１１からポンプで流路中の液体を引くことで排出する方法や、供給室２０７側から流路２０４方向に洗浄液を流すことで排出する方法などを用いて古い液体を排出する。ここで、液体タンクの交換に際してとは、液体タンクの交換の前でも後でもよい。
また、液体タンクを交換したときに、わずかではあるが、気泡の混入が考えられるが、上述の排出工程により同時に気体も排出される。
【００２４】
以下、図２に示した液体搬送装置の液体搬送の方法について説明する。
液体タンク２０３より供給室２０７に供給された液体は、まず発熱体素子２０６を有する液体搬送部２０２に送られる。発熱体素子２０６は薄膜抵抗体と該薄膜抵抗体にパルス電圧を印加するための配線（不図示）よりなる。薄膜抵抗体上に液体が存在した状態で、薄膜抵抗体にパルス電圧を印加し、膜沸騰が生じる温度まで温度を急激に上昇させることにより気泡が発生する。発生した気泡は、急激に膨張する。この気泡の急激な膨張に基づく作用力により吐出口２０５より液体試料が押し出され、吐出液滴２０９が形成される。吐出液滴２０９は、第一の空間部２１０中を飛翔し第二の空間部２０４に到達する。膨張した気泡は、やがて収縮に転じ、さらに時間がたつと消滅する。気泡が発生してから消滅するまでに要する時間は数μｓｅｃ〜２０μｓｅｃ程度であり、最大１０数ｋＨｚ程度の繰り返し周波数で、気泡の膨張と収縮を繰り返し、液体試料を吐出させ液体搬送部２０２から第二の空間部２０４に搬送することが可能である。第二の空間部２０４に搬送された液体は、さらに、流路や例えば複数の液体を混合するための混合室に送られる。
【００２５】
上記録では、第二の空間部２０４を介して液体を流路や混合室等に搬送する場合を述べたが、第二の空間部２０４を介さずに液体搬送部２０２から、直接、流路や混合室等に液体を搬送する実施形態もある。
【００２６】
発熱体素子の構成の具体例を、図３に示す。発熱体素子３０１は、基板３０５上に形成されており、薄膜抵抗体３０３の上下両面を絶縁体の保護層３０２で挟んだ構成となっている。薄膜抵抗体３０３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３０２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３０２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Ｓｉ３Ｎ４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３０２に形成したコンタクトホールを介して電極３０４に電気的に接続されている。電極３０４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。
【００２７】
上記では、発熱体素子により気泡を発生させ液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液体を吐出しても良い。
【００２８】
【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、作製条件、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、設計事項として任意に変更できるものである。
【００２９】
実施例１
本実施例では、本発明の液体搬送装置を作製方法について説明する。以下、図４に示した工程図を用いて本実施例の化学分析装置の作製方法を説明する。
【００３０】
まず、シリコン基板（たて２０ｍｍ、よこ２０ｍｍ）４０１上に、薄膜抵抗体と該薄膜抵抗体にパルス電圧を印加するための電極（不図示）よりなる発熱体素子４０２を形成した。薄膜抵抗体の材質としては、Ｐ（リン）イオンを導入することにより導電性を持たせた多結晶シリコンを用いた。薄膜抵抗体の表面は、保護層であるＳｉＮ膜（不図示）で覆われた構造とした（図４（ａ））。本実施例の発熱体素子の構成は、図３に示したものと同様の構成である。
【００３１】
次に、フォトリソグラフィ法によりフォトレジストパターンを形成した。該フォトレジストパターンをエッチングマスクとして、ＳＦ６ガスおよびＣ４Ｆ８ガスを用いてドライエッチングを行い、供給室４０３および第一の空間部４０４を形成した（図４（ｂ））。このとき発熱体素子４０２は、フォトレジストにより保護されている。
【００３２】
次に、第二の空間部４０５および第一の空間部４０４の上部および供給室４０３の上部を、フォトリソグラフィとドライエッチングにより形成したシリコン基板４０６を、エポキシ系接着剤を用いて、シリコン基板４０１に貼り合わせた。さらに、ガラスよりなる遮断部４０７を、シリコン基板４０６にエポキシ系接着剤を用いて貼り合わせた。遮断部４０７には、液体タンクから供給室４０３に液体を供給するための液体供給口４０８を、あらかじめエッチングにより形成しておいた（図４（ｃ））。
【００３３】
次に、ポリプロピレンよりなる液体タンク４０９を作製し、液体タンク内に液体を充填した状態で液体供給口４０８に装着した（図４（ｄ））。液体タンク４０９には、爪部４１１が設けられており、爪部４１１を液体供給口４０８に引っ掛けることにより固定することが可能となっている。この工程により供給室４０３および液体搬送部４１０は液体により満たされた。
以上の工程により図２に概念図を示した液体搬送装置を作製することができた。
【００３４】
実施例２
本実施例では、図２示した液体搬送装置を組み合わせることにより、図５に示した化学分析装置を作製した。図５は、図２におけるＢ−Ｂ’断面図に対応する断面図である。本実施例の化学分析装置は、フォトリソグラフィのフォトマスクを変更するのみで、実施例１の作製方法で作製することが可能である。
【００３５】
本実施例の化学分析装置では、基板（たて２５ｍｍ、よこ４０ｍｍ）上に、混合室５０１、供給室５０２〜５０４、混合室５０５、供給室５０６が形成されている。混合室５０１、供給室５０２〜５０４、５０６には、液体を供給するための液体タンク５１１〜５１４、５１６が設置されている。図５においては、各液体タンクを点線でしめした。さらに、混合室５０１および５０５、供給室５０２〜５０４には、下流側の混合室に液体を搬送するための発熱体素子５２１〜５２５および吐出液滴が飛翔するための第一の空間部５３１〜５３５が設置されている。各供給室および混合室間は、これらの第一の空間部により分離されており、各供給室および混合室間の液体が混じりあうことはない。図５において、各第一の空間部中を飛翔する吐出液滴の方向を矢印で示した。
【００３６】
図５に示した化学分析装置を用いて、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を実施した。以下にその手順を示す。
まず、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）に水を加えて良く混合する。該溶液を液体タンク５１１に入れる。液体タンク５１１を混合室５０１上に配置することにより、混合室５１１内に該溶液が導入される。なお、「Ｍ」は、「ｍｏｌ／ｌ」の濃度の単位を示す。
【００３７】
次に、冷生理食塩水で洗浄したラットの肝臓の一部（約３０ｇ）を２００ｍｌ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。得られた検体サンプル溶液を液体タンク５１２に入れ、供給室５０２上に配置する。これにより供給室５０２に、検体サンプルが導入される。
【００３８】
同様に、５ｍＭのＤＴＮＢ水溶液を供給室５０３に導入する。
同様に、８０μＭのパルミトイル−ＣｏＡ溶液（商品名；ＳＩＧＭＡ社製）を供給室５０４に導入する。
同様に、緩衝液（１６ｍＭトリス−塩酸緩衝液、２．５ｍＭ ＥＤＴＡ、０．２％トリトンＸ−１００（ｐＨ８．０）；０．５ｍｌ）に水を加えた溶液を供給室５０６に導入する。
【００３９】
この状態で、発熱体素子５２２を駆動することにより、供給室５０２内の液体を混合室５０１に搬送する。同時に、発熱体素子５３３を駆動することにより、供給室５０３内の液体を混合室５０１に搬送する。この状態を１分間保持する。次に、発熱体素子５３１を駆動することにより、混合室５０１内の液体を混合室５０５に搬送する。同時に、発熱体素子５２４を駆動することにより、供給室５０４内の液体を混合室５０５に搬送する。この状態を１分間保持する。
【００４０】
次に、発熱体素子５２５を駆動することにより、混合室５０５内の液体を供給室５０６に導入する。
その後、供給室５０６の液体を検出部に搬送し、波長５００ｎｍの光吸収を測定することにより、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変化を測定することができた。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の液体搬送装置では、液体タンクを用いて液体を液体搬送部に供給することにより、外部にポンプにディスペンサー等を配置することなく液体を供給することが可能となった。
本発明により、チューブ内をプライミングする等の煩雑な操作なしで、化学分析装置に液体試料を導入することが可能な液体搬送装置を提供することができた。
【００４２】
本発明により、化学分析装置に導入する液体試料を間違える可能性が低い液体搬送装置を提供することができた。
本発明により、外部にシリンジポンプやディスペンサー等の液体を導入するための機構を必要とすることなく液体の導入や搬送が可能な液体搬送装置を提供することができた。
本発明により、小型でコンパクトであり、持ち運びが容易で、液体試料を採取したその場で分析を実施することが容易な化学分析装置を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液体搬送装置を用いた化学分析装置を示す概念図である。
【図２】本発明の液体搬送装置を示す説明図である。
【図３】本発明の液体搬送装置に用いる発熱体素子を示す説明図である。
【図４】本発明の液体搬送装置の作製方法を示す工程図である。
【図５】本発明の液体搬送装置を用いた化学分析装置を示す概念図である。
【図６】従来技術のマイクロリアクタを示す概念図である。
【符号の説明】
１０１ 基体
１０２〜１０４ 液体タンク
１０５〜１０７ 流路
１０８ 混合室
１０９ 流路
１１０ ポンプ
１１１ 分離部
１１２ 流路
１１３ 検出部
１１４ 排出口
１１５ 流路
１１６ 弁
２０１ 基体
２０２ 液体搬送部
２０３ 液体タンク
２０４ 第二の空間部
２０５ 吐出口
２０６ 発熱体素子
２０７ 供給室
２０８ 遮断部
２０９ 吐出液滴
２１０ 第一の空間部
３０１ 発熱体素子
３０２ 保護層
３０３ 薄膜抵抗体
３０４ 電極
３０５ 基板
４０１ シリコン基板
４０２ 発熱体素子
４０３ 供給室
４０４ 第一の空間部
４０５ 第二の空間部
４０６ シリコン基板
４０７ 遮断部
４０８ 液体供給口
４０９ 液体タンク
４１０ 液体搬送部
４１１ 爪部
５００ 基板
５０１、５０５ 混合室
５０２〜５０４、５０６ 供給室
５１１〜５１４、５１６ 液体タンク
５２１〜５２５ 発熱体素子
５３１〜５３５ 第一の空間部
６０１ マイクロリアクタ
６０２ リザーバセル
６０３ 混合セル
６０４ 反応セル
６０５ 検出セル
６０６ 分離セル
Claims (9)
- 基体と、前記基体と一体に設けられた液体を吐出する吐出口と、前記吐出口から流路を介して前記液体を吐出させるための液体吐出手段と、前記液体吐出手段に前記液体を供給するための液体タンクとを備え、前記液体タンクは脱着可能であり、かつ前記液体タンクの交換に際して、前記交換後の液体タンクと前記流路間の前記液体を排出する排出手段を有することを特徴とする液体搬送装置。
- 前記液体タンクと前記液体吐出手段との間に、前記液体吐出手段に前記液体を供給するための供給室を更に備えることを特徴とする請求項１記載の液体搬送装置。
- 前記基体上の複数の前記液体吐出手段から吐出された前記液体を混合するための混合室を更に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。
- 前記混合室で混合した液体を吐出するための液体吐出手段を更に備えることを特徴とする請求項３記載の液体搬送装置。
- 前記基体上に前記混合室に液体を供給するための液体タンクを備えることを特徴とする請求項３または４記載の液体搬送装置。
- 前記流路に吐出口と連通して設けられ前記吐出口から吐出された液体が飛翔していく第一の空間部と、前記第一の空間部と連通して前記飛翔していく液体が到達可能な距離内に設けられ前記液体を受入れる第二の空間部を有する請求項１記載の液体搬送装置。
- 前記供給室、前記供給室から吐出口へ液体を搬送する液体搬送部、前記第一の空間部、前記第二の空間部及び前記混合室のうち少なくともいずれかを外気から遮断するための遮断部を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの項に記載の液体搬送装置。
- 前記液体吐出手段は発熱体素子であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかの項に記載の液体搬送装置。
- 請求項１乃至８のいずれかに記載の液体搬送装置を用いて液体を搬送することを特徴とする化学分析装置。
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