JP5247460B2 - マイクロチップ - Google Patents

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Description

本発明は、生物学的流体を電気化学的、もしくは光学的に分析するマイクロチップに関するものである。
従来、マイクロチップを用いて生物学的流体を電気化学的に分析する方法としては、試料液中の特定の成分を分析するバイオセンサーとして、例えば、血液中のグルコースとセンサー中に担持したグルコースオキシダーゼ等の試薬との反応により得られる電流値を測定することにより、血糖値などを求めるものがある。
また、光学的に分析する方法として液体流路を形成したマイクロチップを用いて分析する方法が知られている。マイクロチップは水平軸を有する回転装置を使って流体の制御をすることが可能であり、遠心力を利用して試料液の計量、細胞質材料の分離、分離された流体の移送分配、液体の混合／攪拌等を行うことができるため、種々の生物化学的な分析を行うことが可能である。
従来の試料液採取方法としては、図１２に示す特許文献１の遠心移送式バイオセンサーがある。これは容器３１０の中に深さの異なる複数のキャビティが形成されている。試料液は入口３１３から毛細管現象により第１の毛細管キャビティ３１２内に採取され、次に遠心力を作用させることで、第１の毛細管キャビティ３１２内の試料液は、濾過材料３１５と第１の流路３１４を介して受入キャビティ３１７に移送され、受入キャビティ３１７で試薬と反応、および遠心分離させたのちに、芯３１８の毛細管力によって溶液成分のみを第２の毛細管キャビティ３１６に採取し、光学的に反応状態を読み取られる。
また、図１３に示す特許文献２の遠心移送式バイオセンサーがある。この図１３では分配ユニット４００の部分を示している。入口ポート４０９は、上部部分４０２を経て毛細管キャビティ４０４ａにつながっている。毛細管キャビティ４０４ａは導管部分４０５ａを介して毛細管キャビティ４０４ｂにつながっている。以下同様に、導管部分４０５ｂ，４０５ｃ，４０５ｄ，４０５ｅを介して毛細管キャビティ４０４ｂ，４０４ｃ，４０４ｄ，４０４ｅ，４０４ｆにつながっている。毛細管キャビティ４０４ｆは上部部分４０３を経て出口ポート４１０につながっている。上部部分４０２と導管部分４０５ａ〜４０５ｅおよび上部部分４０３には、通気孔４０６ａ〜４０６ｇが設けられている。入口ポート４０９から入った試料は、出口ポート４１０まで毛細管力で移送し、各毛細管キャビティ４０４ａ〜４０４ｆを試料液で満たした後、このバイオセンサーの回転によって発生する遠心力によって、それぞれの毛細管キャビティ４０４ａ〜４０４ｆ内の試料液を各通気孔４０６ａ〜４０６ｇの位置で分配し、各バルブ４０８ａ〜４０８ｆと各連結微小導管４０７ａ〜４０７ｆを通って、次の処理室（図示省略）へ移送される。
特表平４−５０４７５８号公報 特表２００４−５２９３３３号公報
しかしながら、このような従来の構成では、毛細管キャビティを充填するほどの試料液が与えられなかったり、点着の途中で試料液を注入口から離してしまったりした場合に、注入口付近の表面張力の影響による気泡の混入の問題がある。また、試料液の注入後における取り扱い時にデバイスの向きを変えてしまうことで、毛細管キャビティ内の試料液が動いてしまって気泡が混入したりする可能性がある。
このような気泡の混入が発生すると、不足している試料液を後から追加して吸引させようとしても毛細管キャビティ内の気泡を外部に逃がすことができないため、気泡の部分に試料液を充填することができず、一定量の試料液を採取できないという課題を有している。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、毛細管キャビティ内への気泡の混入を防ぐことができ、試料液の採取が毛細管キャビティを満たすまで何度でもできるマイクロチップを提供することを目的とする。
本発明の請求項１記載のマイクロチップは、マイクロチップ本体の一側から突出し試料液を採取する注入口と、前記注入口を介して毛細管力により一定量の試料液を採取することができる少なくとも１つの第１の毛細管キャビティと、前記第１の毛細管キャビティと連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第１の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第１の保持チャンバーとを備えるマイクロチップであって、前記注入口と前記第１の保持チャンバーとを連結する前記第１の毛細管キャビティの一側面に、毛細管力を発生せず、前記注入口のマイクロチップ本体から突出している部分で大気と連通するキャビティを設けたことを特徴とする。
本発明の請求項２記載のマイクロチップは、請求項１において、前記第１の毛細管キャビティおよび前記キャビティの断面形状が矩形形状を有し、前記キャビティの厚み方向の断面寸法が前記第１の毛細管キャビティの断面寸法よりも大きく、前記キャビティが前記第１の毛細管キャビティの片側もしくは両側の側面に形成されていることを特徴とする。
本発明の請求項３記載のマイクロチップは、請求項１において、前記第１の毛細管キャビティの断面形状の一部が円弧形状を有し、前記キャビティの断面形状が矩形形状を有し、前記キャビティの厚み方向の断面寸法が前記第１の毛細管キャビティの断面寸法よりも大きく、前記キャビティが前記第１の毛細管キャビティの片側もしくは両側の側面に形成されていることを特徴とする。
本発明の請求項４記載のマイクロチップは、請求項２または請求項３において、前記キャビティの厚み方向の断面寸法が前記毛細管キャビティよりも５０μｍ以上大きくなっていることを特徴とする。
本発明の請求項５記載のマイクロチップは、請求項１において、前記第１の毛細管キャビティおよび前記キャビティの断面形状の一部が円弧形状を有し、前記キャビティが前記第１の毛細管キャビティの片側もしくは両側の側面に形成されていることを特徴とする。
本発明の請求項６記載のマイクロチップは、請求項１において、前記キャビティの壁面が疎水表面であることを特徴とする。
本発明の請求項７記載のマイクロチップは、請求項１において、前記第１の毛細管キャビティと連通し、前記第１の毛細管キャビティを経由して、毛細管力により一定量の試料液を採取することができる第２の毛細管キャビティと、前記第２の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第２の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第２の保持チャンバーとを備え、前記第１の毛細管キャビティと前記第２の毛細管キャビティとの境界部が、前記第１の保持チャンバーおよび前記第２の保持チャンバーよりも内周側に位置しかつ内周方向に突出した湾曲形状を有し、前記境界部の外周側に壁面を有し、かつ、前記第２の毛細管キャビティの前記軸心周りの回転の内周側の一側面が、前記第１の毛細管キャビティの一側面に形成され毛細管力を発生せず大気と連通する前記キャビティに連通していることを特徴とする。
本発明の請求項８記載のマイクロチップは、請求項７において、前記第２の毛細管キャビティから第Ｎ（Ｎは３以上の正の整数）の毛細管キャビティまで順次連通して形成されるＮ−２個の毛細管キャビティと、前記Ｎ−２個の毛細管キャビティの外周端部に連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記Ｎ−２個の毛細管キャビティ内の試料液をそれぞれ受け取るＮ−２個の保持チャンバーを設け、前記第１の毛細管キャビティと前記第２の毛細管キャビティとの境界部が、前記第１の保持チャンバーおよび前記第２の保持チャンバーよりも内周側に位置しかつ内周方向に突出した湾曲形状を有し、前記第２の毛細管キャビティから順次連続して前記第Ｎの毛細管キャビティまで形成される前記Ｎ−２個の毛細管キャビティのＮ−２個の境界部が、前記第２の保持チャンバーから前記第Ｎの保持チャンバーまでのＮ−２個の保持チャンバーよりもそれぞれ内周側に位置しかつ内周方向に突出した湾曲形状を有し、前記第１の境界部から第Ｎ−１の境界部までのＮ−１個の境界部の外周側に壁面を有し、かつ、前記Ｎ−２個の毛細管キャビティの前記軸心周りの回転の内周側の一側面が、前記第１の毛細管キャビティの一側面に形成され毛細管力を発生せず大気と連通する前記キャビティに連通していることを特徴とする。
本発明のマイクロチップによれば、試料液を採取する毛細管キャビティに気泡が混入するのを防ぐことができるため、毛細管キャビティを満たすまで何度でも試料液を採取することができる。よって、試料液の採取不足による測定エラーをなくすことができるため、マイクロチップの測定精度を向上させることができる。
以下、本発明の各実施の形態を図１〜図１１と図１４に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１〜図８は本発明の実施の形態１を示す。
図１はマイクロチップ３を外観図で示したものである。図２はそのマイクロチップ３の構成を分解斜視図で示したものである。マイクロチップ３は、上部基板１と下部基板２との貼り合わせで構成されており、下部基板２の１つの面には、微細な凹凸形状をもつマイクロチャネル構造が形成されており、試料液の移送や、所定量の液量を保持するなど、それぞれの機能が働くようになっている。
図３はマイクロチップ３がマイクロチップ保持部材１０１に装着される様子を示した外観斜視図であり、１つのマイクロチップ３がマイクロチップ保持部材１０１に装着されており、分析装置（図示せず）側の回転駆動手段により、マイクロチップ保持部材１０１及びマイクロチップ３が軸心１１の所定の方向に回転される。
また図４は、マイクロチップ３の注入口１４の周辺部を示した拡大図であるが、図４に示すように注入口１４は、マイクロチップ本体の一側面より軸心１１方向に突出した形状にすることにより、指先などによる点着がしやすくなり、点着時に注入口１４以外の位置に指などが接触して血液が付着するのを防ぐという効果がある。
注入口１４の周囲におけるマイクロチップ３の一側面には、軸心１１側のみが開口し、さらに軸心１１より外周方向に向けて窪む凹部１２が形成されている。なお、本実施例では、凹部１２は、凹部の軸心側における開口部の断面積が、凹部の外周側の開口部における断面積よりも同等以上の大きさになるように、ゆるやかに湾曲した構造になるように形成させることによって、遠心力が発生すると、注入口１４の周囲に試料液が付着した試料液は、確実に凹部へ移送され、さらに凹部の一番低い位置へ移送されやすくなり、凹部外
へ飛散することなく、収集できるようになっている。
また、この開口されている凹部１２の底面から軸心１１方向に突出するように、注入口１４を有する突起部を形成させることによって、注入口１４の周囲に付着した試料液は、凹部内へ移送されるのであるが、移送されたその位置は、凹部内のほぼ底面なので、試料液は凹部内から溢れ出すことはなく安定して収集でき、また、１つの凹部で収集できるという効果も得られる。
図５は、本実施の形態１のマイクロチップ３が装着される分析装置１０００の構成を示す模式図である。図５において、本マイクロチップ３は、分析装置１０００の回転駆動手段であるモータ１０２の回転軸上に装着されているマイクロチップ保持部材１０１の上部へ装着され、モータ１０２を回転駆動させて、マイクロチップ３が装着されているマイクロチップ保持部材１０１を軸心周りに回転駆動させることができる。
本分析装置は、その用途に応じて、マイクロチップ３内のチャンバー及び流路の構成により、軸心周りの回転によって発生する遠心力を用いて、マイクロチップ内の液を移送したり、遠心分離したりする遠心分離機にもなりえる。なお、本発明ではマイクロチップ３を分析装置１０００に装着しているが、そのマイクロチップの形状は、扇形状や、立方体形状やその他の形状のものでもよい。また、複数個のマイクロチップ３を分析装置１０００に同時に装着してもかまわない。
また、本分析装置は、マイクロチップ保持部材１０１をモータ１０２によりＣ方向に回転駆動させながら、レーザー光源１０３よりレーザー光を、分析装置１０００のマイクロチップ保持部材１０１に装着されているマイクロチップに向けて照射する。レーザー光源１０３は、トラバースモータ１０４で駆動される送りねじ１０５に螺合しており、サーボコントロール回路１０６が、レーザー光源１０３を任意の測定箇所に配置できるように、トラバースモータ１０４を駆動してレーザー光源１０３を、マイクロチップ保持部材１０１の径方向に移動できる。
マイクロチップ保持部材１０１の上部には、レーザー光源１０３から照射したレーザー光のうち、マイクロチップ保持部材１０１を透過した透過光の光量を検出するフォトディテクタ（ＰＤ）１０７、フォトディテクタ（ＰＤ）１０７の出力のゲインを調整する調整回路１０８、調整回路１０８の出力をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器１０９、Ａ／Ｄ変換器１０９でデジタル変換されたデータを処理する透過光量信号処理回路１１０、透過光量信号処理回路１１０で得られたデータを保存するメモリ１１３、これらを制御するマイクロコンピュータ（ＣＰＵ）１１１、そして分析された結果を表示する表示部１１２を有している。
なお、本実施の形態では、光ディスクの光学スキャン技術は、特に用いていないが、別段、レーザー光源１０３のマイクロチップ３への照射に関しては、マイクロチップ３に位置情報を記録された領域を設けることによって、トラバースモータ１０４の駆動だけでなく、レーザー光源１０３の内部に設けられたトラッキングアクチェータ（図示せず）によって、レーザー光の光路をマイクロチップの面方向に必要に応じて併せて駆動して位置制御しながら正確にマイクロチップのトラックをトレースできるような構成にしてもよい。
次に、本実施の形態１のマイクロチップ３のマイクロチャネル構成、および試料液の移送プロセスについて詳細に説明する。
図６は本実施の形態１のマイクロチップのマイクロチャネル構成を示す平面図である。図７は本実施の形態１の“マイクロチップの試料液注入過程”から“測定チャンバーの充填過程”を説明する図である。また、図８（ａ）〜図８（ｄ）はそれぞれマイクロチップにおける毛細管キャビティおよびキャビティの断面形状例を示し、図８（ａ）は同実施の形態の毛細管キャビティ４およびキャビティ１５，１６の断面形状が矩形形状の場合の断面図、図８（ｂ）は同実施の形態の毛細管キャビティ４およびキャビティ１５の断面形状が円弧形状の場合の断面図、図８（ｃ）は同実施の形態の毛細管キャビティ４の断面形状が円弧形状で、キャビティ１５の断面形状が矩形形状の場合の断面図、図８（ｄ）は同実施の形態の毛細管キャビティ４およびキャビティ１５，１６の断面形状が矩形形状で両者の厚みが同じ場合の断面図、図８（ｅ）は同実施の形態の毛細管キャビティ４およびキャビティ１５，１６の断面形状が矩形形状で、キャビティ１５，１６の厚みが毛細管キャビティ４より大きい場合の断面図、図８（ｆ）は同実施の形態の毛細管キャビティ４およびキャビティ１５の断面形状が円弧形状で、キャビティ１５の厚みが毛細管キャビティ４より大きい場合の断面図である。
図６に示すように本実施の形態１のマイクロチップ３のマイクロチャネル構成は、試料液を採取する注入口１４と、注入口１４に注入された試料液を所定量だけ保持する毛細管キャビティ４と、毛細管キャビティ４内の空気を排出するキャビティ１５，１６と、分析試薬（図示せず）が保持されている保持チャンバー５と、試料液と分析試薬との混合物を測定する測定チャンバー７と、保持チャンバー５と測定チャンバー７に連通する流路６と、さらに測定チャンバー７と、大気開放孔９を連通させる流路８とで構成されている。ここで本発明では、毛細管キャビティ４、流路６、流路８の深さは５０μｍ〜３００μｍで形成されているが、毛細管力で試料液が流れるのであれば、この寸法に限定されるものではない。また、保持チャンバー５、測定セル７、キャビティ１５，１６の深さは、０．３ｍｍ〜５ｍｍで形成しているが、これは、サンプル溶液の量や、吸光度を測定する条件（光路長、測定波長、サンプル溶液の反応濃度、試薬の種類等）によって調整可能である。
本実施の形態１では、毛細管力で試料液を流すために、毛細管キャビティ４、流路６、流路８の壁面に親水処理を行っており、親水処理方法としては、プラズマ、コロナ、オゾン、フッ素等の活性ガスを用いた表面処理方法や、界面活性剤や親水性ポリマーによる表面処理が挙げられる。ここで親水性とは、水との接触角が９０°未満のことをいい、より好ましくは接触角４０°未満である。
次に、図７を用いて試料液の移送プロセスの詳細を説明する。まず、この形態を持つマイクロチップ３に試料液を供給するためには、このマイクロチップ３をマイクロチップ保持部材１０１から取り外した状態で、マイクロチップ３の一側面より軸心１１方向に突出した注入口１４に試料液を点着させると、点着直後に、試料液は図７（ａ）に示すように毛細管現象により毛細管キャビティ４に所定量だけ注入される。
このとき、本発明では、毛細管キャビティ４の側面に毛細管キャビティ４内の空気を排出するキャビティ１５，１６を設けているため、試料液は毛細管キャビティ４の側面部が先行して流れる毛細流ではなく、毛細管キャビティ４の中央部が先行して流れる毛管流となって毛細管キャビティ４内を充填していく。そのため、注入口１４に点着させる試料液が毛細管キャビティ４の充填途中で不足したり、試料液を充填途中で注入口１４から離してしまったりした場合でも、再度、注入口から点着することで、試料液は毛細管キャビティ４の中央部が先行して流れるため、毛細管キャビティ内に保持されていた試料液の中央部と接触し、空気をキャビティ１５，１６のある側面方向に排出しながら充填されるため、気泡が発生せず、毛細管キャビティ４が所定量の試料液を保持できるまで、何度でも点着することが可能となる。
毛細管キャビティ４とキャビティ１５，１６の構成としては、図８（ａ）に示すように下部基板に形成された矩形状の毛細管キャビティ４の片側もしくは両側の側面に、厚み方向の断面寸法が毛細管キャビティ４の断面寸法より大きくなるようなキャビティ１５，１６を設ける構成、図８（ｂ）に示すように下部基板に形成された円弧形状の毛細管キャビティ４の片側もしくは両側の側面に、円弧形状のキャビティ１５，１６を設ける構成、図８（ｃ）に示すように下部基板に形成された円弧形状の毛細管キャビティ４の片側もしくは両側の側面に、厚み方向の断面寸法が毛細管キャビティ４の断面寸法より大きくなるような矩形状のキャビティ１５，１６を設ける構成、図８（ｄ）に示すように下部基板に形成された円弧形状の毛細管キャビティ４の片側もしくは両側の側面に、毛細管キャビティ４と厚み方向の断面寸法が同じ矩形状のキャビティ１５，１６を設け、キャビティ１５，１６の壁面が疎水表面もしくは疎水処理（疎水性の基準としては、水との接触角が９０°以上が望ましいが、７０°以上でもよい。）が施されている構成、図８（ｅ）に示すように下部基板に形成された矩形状の毛細管キャビティ４の片側もしくは両側の側面に、厚み方向の断面寸法が毛細管キャビティ４の断面寸法より大きくなるように下部基板および上部基板の両方の基板にキャビティ１５，１６を設ける構成、図８（ｆ）に示すように下部基板と上部基板の両方の基板に形成された円弧形状の毛細管キャビティ４の片側もしくは両側の側面に、下部基板および上部基板の両方の基板に円弧形状のキャビティ１５，１６を設ける構成、などが挙げられるが、本発明の毛細管キャビティとキャビティの構成はこれに限定されるものではない。
図８（ａ），図８（ｃ），図８（ｅ）に示す構成では、キャビティ１５，１６の厚み方向の断面寸法を毛細管キャビティ４の断面寸法よりも５０μｍ以上大きくすることで、試料液のキャビティ１５，１６への流入を抑制することができる。キャビティ１５，１６の厚み方向の断面寸法の上限値としては特に規定はないが、毛細管キャビティの厚み方向の断面寸法を保つために上部基板１に剛性をもたす必要があるため、上部基板１の表面からキャビティ１５，１６までの距離を０．５〜１ｍｍ程度とることが望ましい。また、毛細管キャビティ４に毛細管現象を働かすために親水処理を行う必要があるが、親水処理は毛細管キャビティ４の壁面のみにすることが望ましく、他のキャビティ１５，１６などの壁面に親水処理をしておくと、キャビティ内への試料液の流入が起こってしまう。
毛細管キャビティ４に試料液が充填された後、マイクロチップ３を分析装置１０００に取り付け、分析装置１０００の回転駆動手段によってマイクロチップ３を回転させることで、図７（ｂ）に示すように毛細管キャビティ４内の試料液は遠心力によって分析試薬があらかじめ担持されている保持チャンバー５内に移送される。
保持チャンバー５内に流入した試料液は、分析装置１０００の回転の加速度による揺動や回転停止中の液の拡散によって、保持チャンバー５内に担持されている分析試薬と混合されるが、保持チャンバー５自体を直接振動させるような外的な力を作用させて混合することも可能である。
次に試薬と試料液との混合が所定のレベルに到達すると、保持チャンバー５内の試料液は、図７（ｃ）に示すように毛細管力で流路６内を通じて測定チャンバー７の入口まで移送される。
次に分析装置の回転で、図７（ｄ）に示すように流路６内の試料液は測定チャンバー７内に移送され、分析装置１０００により、試料液と分析試薬との反応状態を吸光度測定などによって測定することにより、その成分の濃度を測定することができる。
（実施の形態２）
図９〜図１１は本発明の実施の形態２を示す。
図９は本実施の形態２のマイクロチップのマイクロチャネル構成を示す平面図である。図１０は本実施の形態２の“マイクロチップの試料液注入過程”から“測定チャンバーの充填過程”を説明する図である。また、図１１は本発明の実施の形態２の“マイクロチップの試料液分配過程”を説明する拡大図である。
なお、本実施の形態２によるマイクロチップの主な構成、および該マイクロチップが装着される分析装置１０００の構成については、実施の形態１で説明した内容と同じであるため、ここでは説明を省略する。
図９に示すように本実施の形態２のマイクロチップ３のマイクロチャネル構成は、試料液を採取する注入口１４と、注入口１４に注入された試料液を所定量だけ保持する第１の毛細管キャビティ１７と、第１の毛細管キャビティ１７を経由して試料液を所定量だけ保持する第２の毛細管キャビティ１９と、第２の毛細管キャビティ１９を経由して試料液を所定量だけ保持する第３の毛細管キャビティ２１と、毛細管キャビティ１７，１９内の空気を排出するキャビティ１５，１６と、第１の毛細管キャビティ１７内の試料液を受け取り、固体成分の入った試料液を溶液成分と固体成分とに分離する収容室また第１の保持チャンバーとしての保持チャンバー５と、第２の毛細管キャビティ１９内の試料液を受け取り試料液の溶液成分と固体成分の比率を測定する第２の保持チャンバーとしての測定チャンバー７と、第３の毛細管キャビティ２１内の試料液と希釈液収容チャンバー２３内に注入された希釈液とを受け取り、内部で混合して試料液内の成分測定を行う第３の保持チャンバーとしての測定チャンバー２５と、保持チャンバー５内で分離された試料液の溶液成分を流路２６を経由して所定量だけ保持する第４の毛細管キャビティ２８と、第４の毛細管キャビティ２８を経由して、溶液成分を所定量だけ保持する第５の毛細管キャビティ３０と、第４の毛細管キャビティ２８内の試料液を受け取り、試料液と分析試薬との混合物を測定する第４の保持チャンバーとしての測定チャンバー３４と、第５の毛細管キャビティ３０内の試料液を受け取り、試料液と分析試薬との混合物を測定する第５の保持チャンバーとしての測定チャンバー３８と、第４の毛細管キャビティ２８の終端に連通したバルブ３１と測定チャンバー３４に連通する流路３３と、さらに測定チャンバー３４と、大気開放孔３６を連通させる流路３５と、第５の毛細管キャビティ３０の終端に連通したバルブ３２と測定チャンバー３８に連通する流路３７と、さらに測定チャンバー３８と、大気開放孔４０を連通させる流路３９とで構成されている。
ここで本発明では、第１の毛細管キャビティ１４、第２の毛細管キャビティ１９、第３の毛細管キャビティ２１、流路２４、流路２６、第４の毛細管キャビティ２８、第５の毛細管キャビティ３０、流路３３、流路３５、流路３７、流路３９の深さは５０μｍ〜３００μｍで形成されているが、毛細管力で試料液が流れるのであれば、この寸法に限定されるものではない。また、保持チャンバー５、測定セル７、希釈液収容チャンバー２３、キャビティ１５，１６、測定チャンバー２５、バルブ３１，３２、測定チャンバー３６、測定チャンバー３８の深さは、０．３ｍｍ〜５ｍｍで形成しているが、これは、サンプル溶液の量や、吸光度を測定する条件（光路長、測定波長、サンプル溶液の反応濃度、試薬の種類等）によって調整可能である。
本実施の形態２では、毛細管力で試料液を流すために、第１の毛細管キャビティ１４、第２の毛細管キャビティ１９、第３の毛細管キャビティ２１、流路２４、流路２６、第４の毛細管キャビティ２８、第５の毛細管キャビティ３０、流路３３、流路３５、流路３７、流路３９の壁面に親水処理を行っており、親水処理方法としては、プラズマ、コロナ、オゾン、フッ素等の活性ガスを用いた表面処理方法や、界面活性剤や親水性ポリマーによる表面処理が挙げられる。ここで親水性とは、水との接触角が９０°未満のことをいい、より好ましくは接触角４０°未満である。
次に図１０を用いて試料液の移送プロセスの詳細を説明する。
まず、この形態を持つマイクロチップ３に試料液を供給するためには、このマイクロチップ３をマイクロチップ保持部材１０１から取り外した状態で、マイクロチップ３の一側面より軸心１１の方向に突出した注入口１４に試料液を点着させると、点着直後に、試料液は図１０（ａ）に示すように毛細管現象により第１の毛細管キャビティ１７に所定量だけ注入され、次に第１の毛細管キャビティ１７を経由して、第２の毛細管キャビティ１９に所定量だけ注入され、さらに、第２の毛細管キャビティ１９を経由して、第３の毛細管キャビティ２１に所定量だけ注入される。
このとき、本発明では、第１の毛細管キャビティ１７の両側面、第２の毛細管キャビティ１９、および第３の毛細管キャビティ２１の内周方向の側面に、それぞれの毛細管キャビティ内の空気を排出するキャビティ１５，１６を設けているため、試料液は毛細管キャビティの側面部が先行して流れる毛細流ではなく、毛細管キャビティの中央部が先行して流れる毛管流となってそれぞれの毛細管キャビティ内を充填していく。
そのため、注入口１４に点着させる試料液がそれぞれの毛細管キャビティの充填途中で不足したり、試料液を充填途中で注入口１４から離してしまったりした場合でも、再度、注入口から点着することで、試料液は毛細管キャビティの中央部が先行して流れるため、毛細管キャビティ内に保持されていた試料液の中央部と接触し、空気をキャビティ１５，１６のある側面方向に排出しながら充填されるため、気泡が発生せず、それぞれの毛細管キャビティが所定量の試料液を保持できるまで、何度でも点着することが可能となる。
第１の毛細管キャビティ１７、第２の毛細管キャビティ１９、第３の毛細管キャビティ２１とキャビティ１５，１６の構成としては、実施の形態１と同様の構成であるため、説明を省略する。
第１の毛細管キャビティ１７、第２の毛細管キャビティ１９、および第３の毛細管キャビティ２１に試料液が充填された後、注入口２２より所定量の希釈液を希釈液収容チャンバー２３へ注入し、その後にこのマイクロチップ３を分析装置１０００に取り付け、分析装置１０００の回転駆動手段によってマイクロチップ３を回転させることで、図１０（ｂ）に示すように遠心力によって、注入口１４から境界部としての第１の分配位置１８の間に保持されていた第１の毛細管キャビティ１７内の試料液は、第１の分配位置１８で破断し、保持チャンバー５へ移送され、第１の分配位置１８から境界部としての第２の分配位置２０の間に保持されていた第２の毛細管キャビティ１９内の試料液は、第１の分配位置１８、および第２の分配位置２０で破断し、測定チャンバー７へ移送され、さらに、第２の分配位置２０から測定チャンバー２５の間に保持されていた第３の毛細管キャビティ２１内の試料液は、第２の分配位置２０で破断し、測定チャンバー２５へ移送される。また、希釈液収容チャンバー２３内の希釈液は、遠心力によって流路２４を経由して測定チャンバー２５に移送される。
ここで本発明では、第１の毛細管キャビティ１７と、第２の毛細管キャビティ１９との境界部である第１の分配位置１８と、第２の毛細管キャビティ１９と、第３の毛細管キャビティ２１との境界部である第２の分配位置２０が、保持チャンバー５、測定チャンバー７、および測定チャンバー２５よりも内周側の位置で、内周方向に突出した湾曲形状を有しており、さらに、第１の毛細管キャビティ１７、第２の毛細管キャビティ１９、および第３の毛細管キャビティ２１の側面にキャビティ１５，１６を設けているため、遠心力によってそれぞれの毛細管キャビティ内の試料液を外周方向へ移送する際に、図１１に示すように第１の分配位置１８、および第２の分配位置２０の最内周位置より試料液に遠心力が働いて、試料液を破断させても毛細管キャビティ間の圧力差やサイフォン効果が発生しにくくなっているため、それぞれの試料液を精度よく分配させることができる。図１４（ａ），図１４（ｂ），図１４（ｃ）はそれぞれ図９に示したＡ−Ａ′線，Ｃ−Ｃ′線，Ｄ−Ｄ′線に沿った断面図を示す。第１の毛細管キャビティ１７と第２の毛細管キャビティ１９との境界部としての第１の分配位置１８は、保持チャンバー５および第２の保持チャンバーとしての測定チャンバー７よりも内周側に位置しかつ内周方向に突出した湾曲形状を有し、外周側に壁面Ｂ１を有している。
また、保持チャンバーとしての測定チャンバー７から順次連続して形成された第３の毛細管キャビティ２１の境界部としての第２の分配位置２０は、保持チャンバー５および第２の保持チャンバーとしての測定チャンバー７よりも内周側に位置しかつ内周方向に突出した湾曲形状を有し、外周側に壁面Ｂ２を有している。
また、第４の毛細管キャビティ２８と第５の毛細管キャビティ３０との境界部である第３の分配位置２７は、保持チャンバー５および前記第２の保持チャンバーよりも内周側の位置で、内周方向に突出した湾曲形状を有し、第３の分配位置２７の外周側に壁面Ｂ３を有している。
従来、毛細管キャビティ内に充填された試料液を遠心力によって分配移送する場合には、図１３に示すような毛細管キャビティの分配位置のみに通気孔を設けた構成では、遠心力をかけた際に、毛細管キャビティ内に液量や毛細管キャビティの断面寸法の違いによって圧力差が生じたり、サイフォン効果が生じたりする。そのため、分配位置で試料液が破断されるまでの間、どちらかの毛細管キャビティに試料液が引き込まれて所定量より多く流入するため、精度のよい分配移送ができないという課題を有していた。
しかしながら本実施の形態の構成によれば、毛細管キャビティ内の試料液を分配する際に、毛細管キャビティ間の圧力差やサイフォン効果を発生させずに分配できるので、試料液の分配精度を向上させることができる。
また、試料液の分配数は、測定項目の数によって調整することが可能であり、Ｎ個の分配が必要な場合は、毛細管キャビティをＮ個設けて、それぞれの毛細管キャビティに混合
チャンバーや、測定チャンバーなどの保持チャンバーを連通させることができるため、本実施の形態２に記載の内容に限定されるものではない。
さらに本発明では、注入口１４に連通する第１の毛細管キャビティ１７の１箇所から一方向に向かって連続する毛細管キャビティに試料液を充填させているが、第１の毛細管キャビティ１７の２箇所以上から左右の両方向に向かって毛細管キャビティを連続させて試料液を充填させてもよい。
保持チャンバー５、および測定チャンバー７内に流入した試料液は、遠心力によって溶液成分と固体成分に分離される。また、測定チャンバー２５内に流入した試料液と希釈液は、分析装置１０００の回転の加速度による揺動や回転停止中の液の拡散によって混合されるが、測定チャンバー２５自体を直接に振動させるような外的な力を作用させて混合することも可能である。
次に保持チャンバー５内の試料液の分離が所定のレベルに達成すると、マイクロチップ３の回転を停止させ、図１０（ｃ）に示すように保持チャンバー５内の溶液成分のみを毛細管力で流路２６を経由して、第４の毛細管キャビティ２８に所定量だけ充填され、さらに第４の毛細管キャビティ２８を経由して、第５の毛細管キャビティ３０に所定の量だけ充填される。
第４の毛細管キャビティ２８の終端には、厚み方向の断面寸法が第４の毛細管キャビティ２８よりも大きなバルブ３１が設けられており、第４の毛細管キャビティ２８内に流入された試料液の毛細管流はバルブ３１で停止する。同様に、第５の毛細管キャビティ３０の終端には、厚み方向の断面寸法が第５の毛細管キャビティ３０よりも大きなバルブ３２が設けられており、第５の毛細管キャビティ３０内に流入された試料液の毛細管流はバルブ３２で停止する。
このとき、本発明では、第４の毛細管キャビティ２８、および第５の毛細管キャビティ３０の内周方向の側面に、それぞれの毛細管キャビティ内の空気を排出するキャビティ１６を設けているため、試料液は毛細管キャビティの外周側の側面部が先行して流れる毛細流となってそれぞれの毛細管キャビティ内を充填していく。そのため、保持チャンバー５から試料液がそれぞれの毛細管キャビティに充填されていく途中で、空気をキャビティ１６のある内周側の側面方向に排出しながら充填されるため、毛細管キャビティ内に気泡が発生せず、それぞれの毛細管キャビティ内を試料液で満たすことが可能となる。
第４の毛細管キャビティ２８、第５の毛細管キャビティ３０、流路２６とキャビティ１６の構成としては、実施の形態１と同様の構成であるため、説明を省略する。
第４の毛細管キャビティ２８、および第５の毛細管キャビティ３０が充填された後、分析装置１０００の回転駆動手段によって、マイクロチップ３を回転させることで、図１０（ｄ）に示すように遠心力によって、第３の分配位置２７から境界部としての第４の分配位置２９の間に保持されていた第４の毛細管キャビティ２８内の試料液は、第３の分配位置２７、および第４の分配位置２９で破断し、バルブ３２と流路３３を経由して測定チャンバー３４へ移送され、さらに、第４の分配位置２９からバルブ３２の間に保持されていた第５の毛細管キャビティ３０内の試料液は、第４の分配位置２９で破断し、バルブ３２と流路３７を経由して、測定チャンバー３８へ移送される。
ここで本発明では、流路２６と、第４の毛細管キャビティ２８との境界部である第３の分配位置２７と、第４の毛細管キャビティ２８と、第５の毛細管キャビティ３０との境界部である第４の分配位置２９が、測定チャンバー３４、および測定チャンバー３８よりも内周側の位置で、内周方向に突出した湾曲形状を有しており、さらに、第４の毛細管キャビティ２８、および第５の毛細管キャビティ３０の側面にキャビティ１６を設けているため、遠心力によってそれぞれの毛細管キャビティ内の試料液を外周方向へ移送する際に、第３の分配位置２７、および第４の分配位置２９の最内周位置より試料液に遠心力が働いて、試料液を破断させても、毛細管キャビティ間の圧力差やサイフォン効果が発生しにくくなっているため、それぞれの試料液を精度よく分配できる。
また、試料液の分配数は、測定項目の数によって調整することが可能であり、Ｎ個の分配が必要な場合は、毛細管キャビティをＮ個設けて、それぞれの毛細管キャビティに混合チャンバーや、測定チャンバーなどの保持チャンバーを連通させることができるため、本実施の形態２に記載の内容に限定されない。
さらに、本発明では、保持チャンバー５の１箇所から一方向に向かって連続する毛細管キャビティに試料液を充填させているが、保持チャンバー５の２箇所以上から左右の両方向に向かって毛細管キャビティを連続させ、試料液を充填させてもよい。
測定チャンバー３４、および測定チャンバー３８に移送された試料液は、分析装置に取り付けられている測定器（図示せず）により、試料液と分析試薬との反応状態を吸光度測定などによって測定することにより、その成分の濃度を測定できる。
試料液が血液の場合であれば、ヘマトクリット値（血漿と血球の比率）を測定チャンバー７で測定したり、赤血球中に含まれるヘモグロビンの濃度を測定チャンバー２５で測定したり、血漿中に含まれるグルコースや、コレステロールなどの脂質成分を保持チャンバー５で分離された血漿を用いて測定できる。
本発明にかかるマイクロチップは、試料液を採取する毛細管キャビティに気泡が混入するのを防ぎ、毛細管キャビティを満たすまで何度でも試料液を採取することができるという効果や、試料液の分配精度を向上させることができるという効果を有し、電気化学式センサーや光学式センサーで生物学的流体の成分測定に使用するマイクロチップにおける試料液の採取方法、分配移送方法等として有用である。
本発明の実施の形態１におけるマイクロチップの外観図 同実施の形態におけるマイクロチップの分解斜視図 同実施の形態におけるマイクロチップ保持部材への装着時の外観斜視図 同実施の形態における注入口の周辺部を拡大して示す斜視図 同実施の形態における分析装置の構成図 同実施の形態のマイクロチャネル構成を示す平面図 同実施の形態の“試料液注入過程”〜“測定チャンバー充填過程”の説明図 本発明の実施の形態１のマイクロチップにおける毛細管キャビティおよびキャビティの断面形状を示す図 本発明の実施の形態２のマイクロチップの平面図 同実施の形態の“試料液注入過程”〜“測定チャンバー充填過程”の説明図 同実施の形態の“試料液分配過程”を説明する拡大図 従来の遠心移送式バイオセンサーの構成図 従来の遠心移送式バイオセンサーの試料液分配の説明図 図９のＡ−Ａ′線，Ｃ−Ｃ′線，Ｄ−Ｄ′線に沿う断面図
１ 上部基板
２ 下部基板
３ マイクロチップ
４ 毛細管キャビティ
５ 保持チャンバー
６ 流路
７ 測定セル
８ 流路
９ 大気開放孔
１１ 軸心
１２ 凹部
１４ 注入口
１５ キャビティ
１６ キャビティ
１７ 第１の毛細管キャビティ
１８ 第１の分配位置
１９ 第２の毛細管キャビティ
２０ 第２の分配位置
２１ 第３の毛細管キャビティ
２３ 試料液と希釈液収容チャンバー
２５ 測定チャンバー
２６ 流路
２７ 第３の分配位置
２８ 第４の毛細管キャビティ
２９ 第４の分配位置
３０ 第５の毛細管キャビティ
３１ バルブ
３２ バルブ
３３ 流路
３４ 測定チャンバー
３５ 流路
３６ 大気開放孔
３７ 流路
３８ 測定チャンバー
３９ 流路
４０ 大気開放孔４０
１０１ マイクロチップ保持部材
１０２ モータ
１０３ レーザー光源
１０４ トラバースモータ
１０５ 送りねじ
１０６ サーボコントロール回路
１０７ フォトディテクタ（ＰＤ）
１０８ 調整回路
１０９ Ａ／Ｄ変換器
１１０ 透過光量信号処理回路
１１１ マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）
１１２ 表示部
１１３ メモリ
１０００ 分析装置
Ｂ１ 壁面

Claims (8)

  1. マイクロチップ本体の一側から突出し試料液を採取する注入口と、前記注入口を介して毛細管力により一定量の試料液を採取することができる少なくとも１つの第１の毛細管キャビティと、前記第１の毛細管キャビティと連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第１の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第１の保持チャンバーとを備えるマイクロチップであって、
    前記注入口と前記第１の保持チャンバーとを連結する前記第１の毛細管キャビティの一側面に、毛細管力を発生せず、前記注入口のマイクロチップ本体から突出している部分で大気と連通するキャビティを設けた
    マイクロチップ。
  2. 前記第１の毛細管キャビティおよび前記キャビティの断面形状が矩形形状を有し、前記キャビティの厚み方向の断面寸法が前記第１の毛細管キャビティの断面寸法よりも大きく、前記キャビティが前記第１の毛細管キャビティの片側もしくは両側の側面に形成されていることを特徴とする
    請求項１に記載のマイクロチップ。
  3. 前記第１の毛細管キャビティの断面形状の一部が円弧形状を有し、
    前記キャビティの断面形状が矩形形状を有し、
    前記キャビティの厚み方向の断面寸法が前記第１の毛細管キャビティの断面寸法よりも大きく、前記キャビティが前記第１の毛細管キャビティの片側もしくは両側の側面に形成されていることを特徴とする
    請求項１に記載のマイクロチップ。
  4. 前記キャビティの厚み方向の断面寸法が前記第１の毛細管キャビティよりも５０μｍ以上大きくなっていることを特徴とする
    請求項２または請求項３に記載のマイクロチップ。
  5. 前記第１の毛細管キャビティおよび前記キャビティの断面形状の一部が円弧形状を有し、
    前記キャビティが前記第１の毛細管キャビティの片側もしくは両側の側面に形成されていることを特徴とする
    請求項１に記載のマイクロチップ。
  6. 前記キャビティの壁面が疎水表面であることを特徴とする
    請求項１に記載のマイクロチップ。
  7. 前記第１の毛細管キャビティと連通し、前記第１の毛細管キャビティを経由して、毛細管力により一定量の試料液を採取することができる第２の毛細管キャビティと、前記第２の毛細管キャビティの外周端部と連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記第２の毛細管キャビティ内の試料液を受け取る第２の保持チャンバーとを備え、
    前記第１の毛細管キャビティと前記第２の毛細管キャビティとの境界部が、前記第１の保持チャンバーおよび前記第２の保持チャンバーよりも内周側に位置しかつ内周方向に突出した湾曲形状を有し、前記境界部の外周側に壁面を有し、かつ、前記第２の毛細管キャビティの前記軸心周りの回転の内周側の一側面が、前記第１の毛細管キャビティの一側面に形成され毛細管力を発生せず大気と連通する前記キャビティに連通している
    請求項１記載のマイクロチップ。
  8. 前記第２の毛細管キャビティから第Ｎ（Ｎは３以上の正の整数）の毛細管キャビティまで順次連通して形成されるＮ−２個の毛細管キャビティと、
    前記Ｎ−２個の毛細管キャビティの外周端部に連通するとともに軸心周りの回転によって発生する遠心力によって移送される前記Ｎ−２個の毛細管キャビティ内の試料液をそれぞれ受け取るＮ−２個の保持チャンバーを設け、
    前記第１の毛細管キャビティと前記第２の毛細管キャビティとの境界部が、前記第１の保持チャンバーおよび前記第２の保持チャンバーよりも内周側に位置しかつ内周方向に突出した湾曲形状を有し、
    前記第２の毛細管キャビティから順次連続して前記第Ｎの毛細管キャビティまで形成される前記Ｎ−２個の毛細管キャビティのＮ−２個の境界部が、前記第２の保持チャンバーから前記第Ｎの保持チャンバーまでのＮ−２個の保持チャンバーよりもそれぞれ内周側に位置しかつ内周方向に突出した湾曲形状を有し、前記第１の境界部から第Ｎ−１の境界部までのＮ−１個の境界部の外周側に壁面を有し、かつ、前記Ｎ−２個の毛細管キャビティの前記軸心周りの回転の内周側の一側面が、前記第１の毛細管キャビティの一側面に形成され毛細管力を発生せず大気と連通する前記キャビティに連通している
    請求項７記載のマイクロチップ。
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