【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微量試料の分析、生産を簡便に行う送液装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
微細加工技術の進展に伴い、化学、生化学における分析、生産のための操作や反応を微細加工されたチップや配管材料を用いてフローシステムを構築する研究開発がなされ、分析分野ではすでに製品にも至っている。これらの分野、または装置はマイクロフルイディクスと呼ばれ、微小流路と訳されることもある。また、アレイ型の手法領域と並びμＴＡＳ（ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍｓの略）の主要な領域であり、ＢｉｏＭＥＭＳ（Ｂｉｏ Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓの略）の重要な手法となっている。μＴＡＳでは、１０センチから数センチ角程度以下のガラスやシリコンのチップ表面に溝を刻んで、その溝中に試薬溶液や検体を流して、分離、反応を行って、微量試料の分析を行っている（たとえば特許文献１、２、３、非特許文献１参照。）。フローシステムの微小化によって試薬や試料の消費量を低減し、デッドボリュームの低減による効率の向上や迅速化、比表面積の増加による効率の向上、可搬性の向上、生産性向上や量産化への対応などのメリットが得られる。フローシステムを構成する重要な構成要素は流路、ポンプなどの送液機構、液溜めであり、必要に応じて弁、屈曲管、分岐管、合流管、拡大管、反応槽、分離領域、検出用フローセルなどが用いられる。
【０００３】
送液機構は通常微細管外部の背圧型ポンプが用いられることが多く、プランジャーポンプ、ペリスタルティックポンプ、シリンジポンプなどが用いられる。またキャピラリー電気泳動を行う方式においては電気浸透流が主に用いられている。また微細加工技術を駆使して、圧電素子とダイアフラムを組み合わせたポンプ、さらに流路の非対称構造を利用したディフューザー型のポンプが開発・発表されている。さらに遠心力を利用した送液法、定常的な流れてないものの民生用プリンターにはバブルジェット（登録商標）、インクジェット方式の送液方法等がある。一方、非常に簡便な送液方法としては、ペーパークロマトグラフィーやイムノクロマトグラフィー、および血糖値センサーで用いられている毛細管現象を用いる方法がある。毛細管現象と並んで簡便な送液法に落差法がある。高い可搬性を要求するポイントオブケア用途や環境、食品分析のほか、コンタミネーションを避けるため試料が触れた部分を再利用しない生物・生化学用途でよく見られる使い捨て用途では送液機構にも簡素で安価な機構が求められるため、毛細管現象や落差法による送液法が好んで用いられている。
【０００４】
落差法は重力法、またはサイホンの原理を用いた方法などと呼ばれる。送液したい流路で隔てられた２つの液面の重力方向に対する高さの差に起因する圧力差が流路に対して印加されるため、流路途中の高低に関わらず流速が決定される方式である。
【０００５】
溶融シリカキャピラリーを用いたキャピラリー電気泳動システムでは試料導入法やシース流形成法として落差法を用いることが頻繁に行われている（例えば特許文献４〜６参照。）。平板チップ上の流路に対しても落差法による送液が報告されている（例えば特許文献７参照。）。
【０００６】
【特許文献１】特開平２−２４５６５５号公報（特許請求の範囲）
【０００７】
【特許文献２】特開平３−２２６６６６号公報（実施例第３図）
【０００８】
【特許文献３】特開平８−２３３７７８号公報（特許請求の範囲）
【０００９】
【特許文献４】特開平５−２１５７１５号公報（特許請求の範囲）
【００１０】
【特許文献５】特開平６−１３８０３７号公報（請求項９、１６、１７）
【００１１】
【特許文献６】特開平７−３１８４９４号公報（特許請求の範囲）
【００１２】
【特許文献７】特開２００１−１６５９３９号公報（特許請求の範囲）
【００１３】
【非特許文献１】「Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ」、（米国）、１９９７年７月１５日、６９巻１４号、ｐｐ．２６２６−２６３０
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
フローシステムにおいて流速を安定化させることは、ノイズの低減、再現性の向上に寄与するために必要である。しかし、落差法による送液を行うと、上流側液面が下降し、下流側液溜め液面が上昇するため液面高さの差が減少し、結果として流速が減少し続ける。液溜め液面が流路断面に比べて十分に広い液溜めを用いれば、相対的に流速の変化割合を抑制することができるが、原理的に流速は変化し続けるほか、装置の大型化を招く上に外乱を受けやすいといった問題点がある。液面差を補償する外部稼働装置を併用する方法も考えられるが、この場合も外部稼働装置による装置の大型化を招くといった問題点がある。また反応部または検出部などフローシステムの構成要素が外部装置との接続のために鉛直あるいは水平に配置するには、特許文献７に見られるようなシステム全体を傾ける方式は不適当である。
【００１５】
フローシステムの技術領域において、落差法による送液法の液溜めは、従来単純に外部に解放された十分大きな容器であって、液量の変化が液面高さの変化と直結する構造であった。ここで上流の液溜めでは液面が下降し、下流の液溜めでは液面が上昇するものであった。液溜め壁面と液面との接点では表面張力に基づくメニスカスを形成するものの、液量の変化と液面高さとの関係に影響を与えるものではなかった。図１に示す典型的な上流の液溜めでは液面の代表的な位置が、一定量の送液後、鉛直に下降する。このため送液によって液面高さの差が減少し、流速の低下を招く結果となっていた。
【００１６】
本発明は、可搬性あるいは低コスト化が要求される分析または生産装置等へ用いる、構造が単純で、簡便で安価な定量的送液システムを備えた、流速制御、流量比制御が可能なマイクロフルイディクス用送液方法および装置を提供するものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、マイクロフルイディクスの送液方法に落差法を用いる装置であって、上流液溜めあるいは下流液溜めの少なくとも一方が、送液時に液面が通過する空間が毛細管構造、あるいは毛管現象を引き起こす狭隘な構造であり、液溜めの液面の進行方向が鉛直以外の方向に傾けられるか、あるいは水平に配置されており、上流側の液溜めから下流側の液溜めまでの流路の一部が重力方向に対して屈曲した構造である送液装置である。
【００１８】
また、本発明の別の態様はマイクロフルイディクスの送液方法に落差法を用いる装置であって、上流液溜めあるいは下流液溜めの少なくとも一方が、送液時に液面が通過する空間が毛細管構造、あるいは毛管現象を引き起こす狭隘な構造であり、上流液溜めにあっては、液溜めの液面の進行方向に対し反対方向が、下流液溜めにあっては、液溜めの液面の進行方向が、下向きに傾けられるかあるいは鉛直下向きに配置され、上流側の液溜めから下流側の液溜めまでの流路の一部が重力方向に対して屈曲した構造である送液装置である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明について、以下具体的に説明する。本発明における移送液とは、該フローシステム内の流体であって、流れの主体となるものを指す。流体とは、気体、純粋な液体、溶液、コロイド液、けん濁液などを指し、本発明では溶液、コロイド液、けん濁液などが好ましい。複数種類の流体が相分離するか、濃度勾配を形成するなどで存在することもできる。通常、フロー分析では試料と移送液を分けて論ずるが、本発明においては便宜上フローシステム内で移送されている流体すべてを移送液と呼ぶ。
【００２０】
本発明における外部流体とは、該フローシステム外部に存在する流体で、流れの結果生じる体積変化を補償するように移動できるものである。典型的には大気であるが、別の気体でもよく、またシステム全体を有機溶媒に沈める場合には該有機溶媒を指す。
【００２１】
本発明において構造体Ａを、移送液と外部流体とを隔て、送液によって送液方向に自由に動くことができる固体あるいはゲル状の構造体と定義する。
本発明における液溜めとは、移送液と外部流体とが形成する界面（以下、液溜めの液面）、あるいは構造体Ａが送液時に移動するすべての空間を内包する任意の構造体を指す。
【００２２】
本発明における、「毛細管構造、あるいは毛管現象を引き起こす狭隘な構造（以下、構造Ｂ）」とは、該空間において固定された構造内表面に内接する球の最大半径が、該移送液を平板に滴下したときにできる静止状態の液滴の最大高さよりも短い状態であるか、液溜め液面の全面がメニスカスであるか、いずれかを満たす構造を指す。
【００２３】
構造Ｂを有する液溜めは、液溜めの液面の挙動が、通常の液溜め液面の挙動と大きく異なる。たとえば微細管をほぼ水平に配置した構造を液溜め構造に採用すると液面高さはまったく異なる挙動を示す。十分細い管では液面が管形状と表面張力に支配されて管の途中に形成される。この液面はその形状に重力の影響を受けることがあるものの、液面の移動方向は配管方向にのみ規定される。このため図２に示す本発明の模式的な上流の液溜めでの代表的な液面位置は、一定量の送液後、水平方向にのみ移動し、鉛直方向には移動しない。
【００２４】
一方、図２と相似な形状でありながら、十分太い管を採用すると、液面が重力に支配されるようになり、図３に示すとおり送液に伴い代表的な液面位置が鉛直方向に移動するようになる。図２および３のように液溜め内壁が、側面と天井面と底面に分けて考えられる構造では、液面が内壁と接する部分が、十分狭隘な構造では図２のように天井面であり、十分太い管では図３のように側面である。本発明の重要な目的の１つである、送液時に主として水平に移動する液面が形成されるためには、図２に示すように、天井面に接した液面が必要かつ十分な要件であり、これは構造Ｂであることが十分な要件である。この液溜めの配置が、水平方向からはずれて傾けられたとしても、送液の総量に比べて、液溜め液面の鉛直方向変位を抑制する効果がある。なおこの配置方向は唯一鉛直方向に配置されたときのみ抑制効果がみられない。
【００２５】
本発明は着目した時間内で、送液速度が変化しない送液方法であるが、自由に液面高さを規定できる微細管の特徴を利用して、適宜流速を変化させる送液法に応用することもできる。
【００２６】
また、下流の液溜めを図４に見られるような構造にすることで、重力に抗した液面を形成させ流速変化を抑制することができる。上流側液溜めが重力に抗する側とすることもできる。ここで重力に抗した液面とは巨視的にみて、移送液が外部流体の上側にある液面のことである。通常の落差法では上流部液溜めの液面が下降し、下流部液溜め液面が上昇するので液面高さの差が解消されていくが、一方の液溜めで重力に抗した液面を形成させるとこの下降と上昇が逆転し、上昇と上昇、あるいは下降と下降の関係になり、液面高さの差の変位が解消される。さらに本発明の送液装置においては上流液溜めの液面の面積と下流液溜めの液面の面積とが常に同じであり、上流液溜めの液面高さと下流液溜めとの液面高さの差が一定であること好ましく、該要件によってより流速を安定化させることができる。特に、上流液溜めの液面の面積と下流液溜めの液面の面積とを常に同じとし、上流液溜めの液面高さと下流液溜めとの液面高さの差が一定であるように設計すれば、上昇、あるいは下降の程度が同じになり、原理的には流速変化がなくなる。重力に抗した液面を形成するには液溜めが構造Ｂであり、フローシステムの外向き、すなわち上流液溜めにあっては、液溜めの液面の進行方向に対し反対方向が、下流液溜めにあっては、液溜めの液面の進行方向が下向きに傾けられるか鉛直下向きであることが十分な要件である。下流液溜めが十分に太い場合、重力に抗した液面を形成しないため、送液に伴って、液面が下降する下流液溜めを構成することができない。
【００２７】
なお、図２における導入口形状は図３との相似形比較のために書き込まれた形状であり、本発明における必須な形状ではない。また、液溜め構造以外の流路は、サイホンの原理を実現できることのみが構成要件であり、図２下流部の屈曲構造も本発明における必須な形状ではない。
【００２８】
外部流体と移送液が直接界面を形成する場合には上記のようになるが、図５に示すように液面部位に構造体Ａを用いることによって、十分太い管形状であっても水平に移動する液面や、重力に抗した液面に相当する構造を形成することができる。
【００２９】
本発明において、好ましくは大気を外部流体とし、水系の流体を移送液とする。大気を利用することは装置を簡単に構成できるからであり、水系の流体を利用することは高い表面張力を利用でき、現実的な種々の応用分野を持つからである。このため落差法を利用すると巨視的には重力に応じて移送液が落下する。しかし、外部流体と移送液の組み合わせによっては外部流体よりも移送液の比重を軽くすることもできる。たとえば外部流体にクロロホルム、移送液に水溶液を用いた場合である。この場合は巨視的にみて重力により移送液が上昇する。このため本発明において便宜上上昇、下降と表記してある部分は、組み合わせによって逆方向に読み替えなければならない。
【００３０】
上流部、下流部の双方の液溜めに該構造を採用することが望ましいが、用途に応じて流速変化が許容できる場合には片側のみを採用することができる。高さの変化を抑制するためには配管方向がほぼ水平であることが望ましいが、流速変化が許容できる場合にはその限りではない。また、高さの変化を相殺して高さの差の変化を抑制する場合においても、上流および下流の液溜めはほぼ同じ傾きであることが望ましいが、用途に応じて流速変化が許容できる場合にはその限りではない。
【００３１】
液溜めや流路の他、フローシステムを構成する種々の構成要素は、落差法の原理と本発明の流速変化抑制が期待される範囲において、任意の要素を用いることができる。好ましくはステンレスや銅などの金属配管、シリコンラバーやフッ素系樹脂あるいはその他の樹脂を素材とする管、ガラスや溶融シリカを用いた管、板に溝形状を形成させてもう一枚の板と張り合わせることによって得られる管を用い、より好ましくは微細な構造を構成させることが容易な溶融シリカキャピラリー、テフロン（登録商標）チューブ、あるいはオンチップキャピラリー構造をとったものである。ふたとなる構造を有しない溝形状や穴、または分岐管形状であって位相幾何学的に外部流体へ解放された面を有するものは、圧力が適切に伝播しないので望ましくない。ただし、弁またはそれに類する機能を付加することによって、流れを制御しようとするものはその限りではない。
【００３２】
液溜めの構造は、落差法の原理と本発明の流速変化抑制が期待される範囲において、任意の形状をとることができる。一例では、送液方向に対する断面形状が、当該フローシステム内の他の構成要素と同じであるものを用いることができる。好ましくは当該フローシステム内の他の構成要素として溶融シリカキャピラリー、テフロン（登録商標）チューブなどの配管部材が用いられている場合、該配管部材を液溜め構造に用いることができる。また、当該フローシステム内の他の構成要素としてオンチップキャピラリー構造を採用している場合、同じ設計ルールに基づくオンチップキャピラリー構造を液溜め構造に用いることができる。一方、送液方向に対する断面形状が、当該フローシステム内の他の構成要素と異なるものも用いることができる。たとえば、単純に２枚の平板によって形成されただけの水平な間隙を用いることができる。この場合、間隙の一部から適切な配管形状によってフローシステムと接続されていれば、垂直な壁構造は不要である。液溜めの形状が水平方向に十分広く、本発明の流速変化抑制が期待される範囲において鉛直方向に十分広くとることは、液溜めの容量を確保する観点から好ましい。送液方向断面が狭い場合、必要に応じて送液方向に長い液溜め構造を形成しなければならないが、圧力損失上昇を招くため、適切な流速を確保するためには適宜液溜めの送液方向断面積を広くする必要があるからである。表面張力が支配的になるように、液溜め内に補助的な水平、垂直、任意方向、あるいは不定方向の微細構造を形成することができる。また、このような液溜め構造の複数個を並列に組み合わせることもできる。不定方向の微細構造とは例えば綿などの繊維状部材を指すが、これに限定されるものではない。
【００３３】
オンチップキャピラリー構造は、シリコン、ガラス、石英ガラス、セラミックス、アクリル系樹脂、ポリカーボネート、シリコーンゴム、その他の樹脂、これらの複合材料、あるいはこれらの組み合わせによって作製することができるが、これらの材料に限定されるものではない。作製方法は、洗浄、フォトリソグラフィー、電子ビームリソグラフィー、その他のリソグラフィー、スクリーン印刷、エッチング、接合、ダイシング、研磨、延伸、アニーリング、組み立て、プラズマ処理、イオン注入、ドーピング、熱酸化、メッキ、射出成型、ホットエンボシングなどの処理を組み合わせて行われるが、ここに挙げた処理に限定されるものではない。移送液が接触する面をあらかじめ表面修飾することは、接触角の制御、成分の付着防止などの観点から好ましい。
【００３４】
流速は従来から知られている落差法の挙動に従う。必要に応じて落差や圧力損失を制御することが望ましい。通常微細な流路ではレイノルズ数が十分小さく、ポアズイユ流を形成することが知られている。フローシステムが単純な管形状をとる場合に関してはハーゲン・ポアズイユの式から圧力損失を求めることができる。複雑な形状をとる場合には、実験的に、あるいはコンピュータシミュレーションにより圧力損失を求めることができる。実験的に流速を求める方法は、単位時間内に送液された液体の重量を求める方式、単位時間内に送液された液体に含ませておいた化学物質による着色、蛍光、あるいは電気化学特性の変化を光学的、あるいは電気化学的に読みとる方法、乳化あるいはけん濁状態の液体を送液することで流れの可視化を行い、動画撮影、あるいは短時間内の連続静止画撮影により管内部の液体移動距離を測定し、流速を計算する方法、あるいは内部に設置した流量計を用いて測定する方法をとることができる。
【００３５】
本発明におけるフローシステムは、上流および下流の液溜めと、その他のフローシステム構成要素が同一平面上にあるか否かを問わない。従来の落差法を利用する送液方法においては鉛直面にフローシステムの流路を投影した像が屈曲した形状をとることとなる管構造をとらなければならない。本発明の送液方法では外部装置の制約がなく、使用に必要十分な流速が確保されるのであれば、フローシステムのすべての構成要素を同一平面上に形成し、この平面を傾けることによって利用することができる。一方外部検出器や制御装置と接続するために構成要素が水平、あるいは垂直に配置されていることが求められる場合、あるいは十分な落差を形成させる必要がある場合、鉛直面にフローシステムの流路を投影した像が屈曲した形状をとることとなる管構造を経ることによって、各フローシステムの構成要素を異なる平面に存在させることが望ましい。たとえば検出系に既存の光学顕微鏡を用いる場合、光学フローセルは垂直、あるいは水平に配置されていることが望ましく、より好ましくは水平に配置される。光学フローセルの少なくとも一方に本発明の液溜め構造を配置するには光学フローセルが形成する典型的な平面外へ屈曲する構造を経なければならない。
【００３６】
このようにして形成される液流を利用することによって、種々の分析、精製や生産を行うことができる。分析には液体クロマトグラフィー、フローインジェクション分析、フィールドフローフラクショネーション、キャピラリー電気泳動、核酸分析、タンパク質分析を、精製には膜分離、カラム分離などを、生産では遺伝子増幅反応や無細胞系タンパク質合成などを行うことができるが、これに限定されるものではない。
【００３７】
移送液の補充や充填など、利用を進める上で目的に応じて送液法には２種類以上の送液法を組み合わせることができる。組み合わせる送液法には内部、外部のポンプによる送液法、毛細管現象による送液法、電気浸透流などがあるがこの限りではない。
【００３８】
適宜、上流部の液溜めに液体を補充し、下流部の液溜めから液体を取り除く機構を備えていることが好ましいが、必ずしも必要な機構ではない。本発明における液溜め構造は従来の液溜めよりも容量が小さくなりがちな傾向にあり、長時間あるいは複数回の利用には適宜液体を補充する必要があるからである。補充や排出のためには本発明とは異なる送液方法によることができる。装置の簡素化の面から操作者が簡易シリンジなどで補充や排出を行うことが望ましい。
【００３９】
送液を開始、停止するには、フローシステムの全部、あるいは一部を回転、傾斜、上昇、下降、水平移動、ひねり、あるいはこれらの組み合わせで動かすことによって落差を形成する方法、フローシステムのいずれかの位置に配置された弁を開閉する方法などがあるがこれに限定されるものではない。送液を開始させるために、フローシステムの一部に堰き止め構造を配置し、あらかじめ充填された移送液を堰き止めておき、堰き止め構造を開くかあるいは破断することによって、該移送液を送液することを見出した。
【００４０】
フローシステムの弁は流れの途中に配置される場合と液溜めの大気解放側に設置される場合がある。マイクロフルイディクス領域の弁として既知の、シリコンや樹脂のダイアフラム構造を圧電制御や圧空制御する弁を流れの途中に置くことで、適宜送液の開始および停止を制御することができる。密閉した液溜めの一部を外部流体へ解放する位置に弁を形成することによっても同じく送液の開始および停止を行うことができる。１回のみの使用を念頭に置く場合は、厳密な弁の構造ではなく構造の一部を破断する事によって大気解放する方法をとることができる。
【００４１】
本発明で移送液として使用する液体は、０でない表面張力を有する液体であればよいが、好ましくは水系の液体である。水系の液体とは純水、水溶液、コロイド液、けん濁液、のいずれの状態でも良い。より好ましくはフローシステムの目詰まりの原因となりうる物質や物体をあらかじめ除去した液体である。用途に応じて、血液、尿、その他の体液、水道水、河川水、海水、培養液、培養抽出液、反応液、有機溶媒と水との混合液などを用いることができるが、これに限定されるものではない。
【００４２】
液面を構成する移送液ではない側の流体は、移送液と界面を形成する流体であればよく、液体であっても良いが、好ましくは大気である。移送液よりも比重の高い液体内に本フローシステムを置くことで、見かけ上、重力と反対方向に送液させることもできる。以下に、実施例を用いて本発明の効果をさらに具体的に説明する。
【００４３】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。
【００４４】
実施例１
内径２００μｍの溶融シリカキャピラリー（ジーエルサイエンス社製）５０ｃｍを用意し、１規定の水酸化ナトリウム液０．５ミリリットルを通液し、次いで超純水０．５ミリリットルを通液した。中央部分１ｃｍほどのポリイミド被服を焼きとばし、その前後延べ５ｃｍをスライドガラス上にセロハン（登録商標）テープで固定した。落差法以外の送液にはいずれも、シリコンゴムを介して１ミリリットルシリンジ（（株）テルモ製）により吸引することで行った。両末端１０ｃｍ部分を長さ１０ｃｍの木片の水平面に固定した。ＣＣＤカメラ付き顕微鏡（オリンパス、ＢＸ−７０）にスライドガラスを設置し右側の末端から１０ｃｍの位置がスライドガラスと同じ高さとなるように右末端木片を所定の角度で置き、その木片をクランプで固定した。左末端から１ｃｍと５ｃｍのところにあらかじめ印を付けておいた。乾燥酵母（和光（株）製、製品コード番号２５９−０００１５）を超純水１リットルに対し、１ｇ溶解させた。左側末端をほぼスライドガラスの高さで酵母けん濁液に浸し右末端から吸引して右末端から１０ｃｍのところまで酵母液で充填し、シリンジを取り外した。左側末端木片を鉛直方向に移動できるクランプで水平に固定した。電子式メトロノームにより０．５秒おきにアラームを鳴らしながら、顕微鏡で酵母にピントを合わせデジタルビデオ（（株）ソニー製、ＷＶ−ＤＲ７）による撮影を開始し、同時にアラーム音を音声記録した。左側末端がスライドガラスと同じ高さとなるように左末端木片を所定の角度に固定し、酵母液溜めを取り去り、ビデオのカウンターを記録しながら左末端木片を速やかに所定の高さまで持ち上げた。液面が左末端から１ｃｍと５ｃｍを通過する時点についてストップウォッチによる計時を行い、あわせて音声ノイズを付与した。撮影後、時間とアラーム音、音声ノイズを指標に、開始時点、１ｃｍ通過時点、５ｃｍ通過時点のフレームを特定した。コマ送り機能によって、１および５ｃｍ通過時点とそれに続く１枚から５枚までの連続するフレームから、無作為に４つの酵母粒子の移動を特定し、モニター上での移動距離から相対的な流速を算出し、１ｃｍ通過時点の相対流速に対する、５ｃｍ通過時点の相対流速の比を計算した。
【００４５】
左右とも水平に置き４ｃｍあるいは８ｃｍの落差を形成させた場合、左末端を持ち上げるように４５度傾け、右末端を下げるように４５度傾け１０ｃｍの落差を形成させた場合のいずれも測定誤差の範囲内で相対流速比は１であった。右末端を水平におき、左末端から５ｃｍの位置が５ｃｍとなるように左末端側水平、４５度としたところ、それぞれ１．０２±０．０３、０．６２±０．０２であった。
【００４６】
比較例１
実施例１のフローシステムで、右末端を水平におき、左末端から５ｃｍの位置が５ｃｍとなるように左末端側を鉛直（末端上向き）としたところ、０．５３±０．０５であり、実施例１より劣っていた。
【００４７】
実施例２
公知の方法（特開２００２−８５９６１号公報の発明の実施の形態の第６１〜６７段落に記載された方法）に従って、シリコン基板上に厚さ１００μｍの厚膜フォトレジスト（マイクロケミカルコーポレーション社製、ＳＵ−８（５０））のパターニングを行い、これを鋳型としてＰＤＭＳ（ダウコーニングシリコーン社製、”シルガード”１８４）に転写した厚さ２ｍｍの板（２５ｍｍ×４０ｍｍ）を得た。用いたパターンを図６に示す。太い部分は幅１０ｍｍ、細い部分は幅１００μｍである。図に示した２カ所の貫通穴開け位置にφ２ｍｍのステンレス管を用いて貫通穴を開け、長さ１０〜１５ｃｍのテフロン（登録商標）製チューブを接着剤を用いて貼り合わせた。このＰＤＭＳ板の転写された面とスライドガラスそれぞれを酸素プラズマに照射した後、照射面同士を貼り合わせた。この方法によって、図７に示すフローシステムを得た。ここで、左側チップの右側テフロン（登録商標）チューブが右側チップの左側テフロン（登録商標）チューブとして接続されている。実施例１と同様に酵母けん濁液を左から右へ吸引導入し、右側チップの１００μｍのキャピラリーおよびその下流の拡大管部分を超えて幅１ｃｍの領域まで導入し、導入途中で酵母液溜めから引き上げて、左側チップの液面が上流側幅１ｃｍ領域のより上流位置にあるようにした。吸引のためのシリンジをこの時点で外した。右側チップの１００μｍ領域を顕微鏡観察およびビデオ撮影しながら、左側チップを水平に保ったまま適宜上下させた。
【００４８】
左側チップの右側チップに対する高さを５ｃｍ、８ｃｍ、−５ｃｍなど適宜変化させたところ、結果として可逆的に送液することができ、液面が幅１ｃｍの領域にある間は流速変化が誤差の範囲内であった。
【００４９】
実施例３
３ｃｍ角、厚さ５ｍｍのアクリル板を１ｃｍの樹脂製スペーサーを介して平行に配置しその間隙に脱脂綿を詰めた。このアクリル板構造体２つに実施例１の溶融シリカキャピラリー両末端をそれぞれ１ｃｍ挿入し、アクリル板構造体が水平に配置された状態で、実施例１の酵母けん濁液送液を試みたところ、１０ｃｍの落差で、アクリル板構造体にしみ込ませた酵母けん濁液の５割以上の量の流速変化が誤差の範囲内であった。
【００５０】
実施例４
内径８ｍｍ長さ１５ｃｍのまっすぐで断面が円のガラス管の１０ｃｍ以上を残すように一方の末端を延伸してキャピラリーとした。厚さ１ｃｍの１％アガロースゲルにキャピラリーでない側のガラス管を指し、シリンダー状のゲルを切り取り、管の内部に入れた。キャピラリーでない側から吸引することでキャピラリーの側から酵母けん濁液を導入し、気泡を抜きながら排出と吸引を繰り返して、気泡のない、ゲルからキャピラリー側が酵母けん濁液で満たされた管を得た。このキャピラリーを実施例３のアクリル板構造体に１ｃｍ挿入し、キャピラリー内酵母による可視化された流れを顕微鏡を介してビデオ撮影した。１０ｃｍの落差の場合、８ｃｍゲルが移動する間に、流速変化を認めることができなかった。
【００５１】
実施例５
実施例４のフローシステムを構築した後、ガラス管のキャピラリーでない側をパラフィルムで封印し、１０ｃｍの落差を形成した。この時点では流れが起きなかったが、刃物によりパラフィルムを破ると、速やかに所定の流速となり、実施例４と同様に安定した流速を確認できた。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の送液方法および装置は、安価で簡便な重力を送液駆動力とし、安定な送液が可能であるため、フローシステム全体の小型軽量化ができ、その場分析やデスクトップでのオンデマンド生産等に適した分析あるいは生産装置を提供できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の落差法実施形態の液面挙動を説明するためのフローシステムの鉛直方向断面模式図。
【図２】本発明請求項１の落差法実施形態の液面挙動を説明するためのフローシステムの鉛直方向断面模式図。
【図３】本発明において、要件を満たさない図２と相似形の送液装置があり得ることを説明するためのフローシステムの鉛直方向断面模式図。
【図４】本発明請求項２および３の落差法実施形態の液面挙動を説明するためのフローシステムの鉛直方向断面模式図。
【図５】本発明請求項４〜６の落差法実施形態の液面挙動を説明するためのフローシステムの鉛直方向断面模式図。
【図６】実施例２のフローチップの流路パターン
【図７】実施例２のフローシステムの模式図
【符号の説明】
１ 上流の液溜め
２ 下流の液溜め
３ フローシステム
４ 液溜めの液面
５ 一定時間経過後の液溜めの液面
６ 液溜め液面の代表的な位置
７ 一定時間経過後の液溜め液面の代表的な位置
８ 構造体Ａ
９ 流路パターン
１０ 貫通穴開け位置
１１ 上流液溜めチップ
１２ 観察部位および下流液溜めチップ
１３ テフロン（登録商標）チューブ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid sending device for easily analyzing and producing a small amount of a sample.
[0002]
[Prior art]
With the advancement of microfabrication technology, research and development has been carried out to construct flow systems using microfabricated chips and piping materials for the operations and reactions for analysis and production in chemistry and biochemistry. Has also been reached. These fields, or devices, are called microfluidics and are sometimes translated as microchannels. It is a major area of μTAS (abbreviation of micro Total Analysis Systems) along with an array type technique area, and is an important technique of BioMEMS (abbreviation of Bio Micro Electro Mechanical Systems). In μTAS, a groove is cut on the surface of a glass or silicon chip of about 10 cm to several cm square or less, and a reagent solution or specimen is flowed into the groove, separation, reaction is performed, and a trace amount of sample is analyzed. (For example, see Patent Documents 1, 2, and 3 and Non-Patent Document 1). Reducing the consumption of reagents and samples by miniaturizing the flow system, improving efficiency and speed by reducing dead volume, improving efficiency by increasing the specific surface area, improving portability, improving productivity and mass production Advantages such as correspondence can be obtained. The important components that make up the flow system are the flow path, the liquid feeding mechanism such as a pump, and the reservoir, and as necessary, valves, bent pipes, branch pipes, junction pipes, junction pipes, expansion pipes, reaction tanks, separation areas, detection A flow cell or the like is used.
[0003]
Usually, a back pressure type pump outside the fine tube is often used as the liquid sending mechanism, and a plunger pump, a peristaltic pump, a syringe pump, or the like is used. In a system for performing capillary electrophoresis, electroosmotic flow is mainly used. In addition, a pump combining a piezoelectric element and a diaphragm, and a diffuser-type pump using an asymmetric structure of a flow path have been developed and announced by making full use of microfabrication technology. Further, there are a liquid feeding method using a centrifugal force and a bubble-jet (registered trademark) and an ink jet type liquid feeding method for consumer printers that do not flow constantly. On the other hand, very simple liquid feeding methods include paper chromatography, immunochromatography, and a method using capillary action used in blood glucose level sensors. There is a head method as a simple liquid feeding method along with the capillary phenomenon. In point-of-care applications that require high portability, environmental and food analysis, as well as disposable applications commonly used in biological and biochemical applications that do not reuse the parts touched by samples to avoid contamination, the liquid transfer mechanism is simple. Therefore, a liquid feeding method using a capillary phenomenon and a head method is preferably used.
[0004]
The head method is called a gravity method, a method using a siphon principle, or the like. Since a pressure difference is applied to the flow path due to the difference in height in the direction of gravity between the two liquid surfaces separated by the flow path to be sent, the flow velocity is determined regardless of the height of the flow path. It is a method.
[0005]
In a capillary electrophoresis system using a fused silica capillary, a head method is frequently used as a sample introduction method or a sheath flow forming method (for example, see Patent Documents 4 to 6). It has been reported that a liquid is sent to a flow path on a flat chip by the head method (for example, see Patent Document 7).
[0006]
[Patent Document 1] JP-A-2-245655 (Claims)
[0007]
[Patent Document 2] Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-226666 (Example 3)
[0008]
[Patent Document 3] Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-233778 (Claims)
[0009]
[Patent Document 4] Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-215715 (Claims)
[0010]
[Patent Document 5] Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-138037 (Claims 9, 16, and 17)
[0011]
[Patent Document 6] Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-318494 (Claims)
[0012]
[Patent Document 7] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-165939 (Claims)
[0013]
[Non-Patent Document 1] "Analytical Chemistry", (USA), July 15, 1997, Vol. 2626-2630
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
Stabilizing the flow velocity in a flow system is necessary to reduce noise and improve reproducibility. However, when the liquid is fed by the head method, the upstream liquid level is lowered, and the downstream liquid level is raised, so that the difference in liquid level height is reduced, and as a result, the flow velocity is continuously reduced. If a liquid reservoir whose liquid level is sufficiently large compared to the cross section of the flow path is used, the rate of change of the flow velocity can be relatively suppressed, but in principle the flow velocity will continue to change and the equipment will need to be larger. In addition, there is a problem that it is easily affected by disturbance. A method in which an external operating device for compensating the liquid level difference may be used together, but also in this case, there is a problem that the external operating device causes an increase in the size of the device. In addition, when components of the flow system such as a reaction unit or a detection unit are arranged vertically or horizontally for connection with an external device, a system in which the entire system is tilted as disclosed in Patent Document 7 is inappropriate.
[0015]
In the technical field of the flow system, the liquid reservoir of the liquid transfer method by the head method is conventionally a sufficiently large container which is simply opened to the outside, and has a structure in which a change in the liquid amount is directly connected to a change in the liquid level. Was. Here, the liquid level was lowered in the upstream reservoir, and increased in the downstream reservoir. At the contact point between the liquid reservoir wall surface and the liquid surface, a meniscus was formed based on the surface tension, but this did not affect the relationship between the change in the liquid amount and the liquid surface height. In a typical upstream reservoir shown in FIG. 1, the representative position of the liquid surface drops vertically after a certain amount of liquid is supplied. For this reason, the difference in the liquid level is reduced by the liquid sending, and the flow velocity is reduced.
[0016]
The present invention is a microstructure capable of controlling flow rate and controlling flow rate, which is used for an analysis or production apparatus or the like that requires portability or low cost, and has a simple, simple and inexpensive quantitative liquid supply system. An object of the present invention is to provide a method and an apparatus for feeding a fluid.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention relates to an apparatus using a head method in a microfluidics liquid sending method, wherein at least one of an upstream liquid reservoir and a downstream liquid reservoir has a capillary structure or a capillary phenomenon in which a liquid surface passes during liquid supply. The direction of travel of the liquid surface of the liquid reservoir is tilted in a direction other than vertical, or it is arranged horizontally, and the flow path from the upstream liquid reservoir to the downstream liquid reservoir is This is a liquid feeding device that is partially bent in the direction of gravity.
[0018]
Further, another aspect of the present invention is an apparatus using a head method in a method of sending microfluidics, wherein at least one of the upstream liquid reservoir and the downstream liquid reservoir has a capillary structure in which a liquid surface passes during liquid supply. Or a narrow structure that causes capillary action. In the upstream reservoir, the direction opposite to the direction of travel of the liquid surface in the reservoir is; in the downstream reservoir, the direction of travel of the liquid surface in the reservoir. Is a liquid feeding device that is inclined downward or disposed vertically downward, and has a structure in which a part of a flow path from an upstream liquid reservoir to a downstream liquid reservoir is bent in the direction of gravity.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention will be specifically described below. The transfer liquid in the present invention refers to a fluid in the flow system, which is a main component of the flow. The fluid refers to a gas, a pure liquid, a solution, a colloid, a suspension, and the like, and in the present invention, a solution, a colloid, a suspension, and the like are preferable. A plurality of types of fluids may exist due to phase separation or concentration gradient formation. Usually, the sample and the transfer liquid are separately discussed in the flow analysis, but in the present invention, all the fluids transferred in the flow system are referred to as a transfer liquid for convenience.
[0020]
An external fluid in the context of the present invention is a fluid that is external to the flow system and that can move to compensate for volume changes resulting from flow. Typically, it is the atmosphere, but may be another gas, and refers to the organic solvent when the entire system is submerged in the organic solvent.
[0021]
In the present invention, the structure A is defined as a solid or gel-like structure that can move freely in the liquid sending direction by liquid sending, separating the transfer liquid and the external fluid.
The liquid reservoir in the present invention refers to an interface formed by the transfer liquid and the external fluid (hereinafter, the liquid surface of the liquid reservoir), or an arbitrary structure including all the spaces in which the structure A moves during liquid feeding. .
[0022]
In the present invention, the “capillary structure or a narrow structure causing a capillary phenomenon (hereinafter referred to as structure B)” means that the maximum radius of a sphere inscribed in the inner surface of the structure fixed in the space is such that the transfer liquid becomes a flat plate. It refers to a structure that satisfies either a state that is shorter than the maximum height of a stationary liquid droplet formed when the liquid is dropped, or that the entire surface of the liquid reservoir is a meniscus.
[0023]
In the liquid reservoir having the structure B, the behavior of the liquid surface of the liquid reservoir is significantly different from the behavior of the normal liquid level of the liquid reservoir. For example, when a structure in which fine tubes are arranged substantially horizontally is employed in the liquid reservoir structure, the liquid level height shows a completely different behavior. In a sufficiently thin tube, the liquid surface is formed in the middle of the tube, governed by the tube shape and surface tension. Although the liquid level may be affected by gravity due to its shape, the moving direction of the liquid level is defined only in the pipe direction. For this reason, the typical liquid level position in the typical upstream liquid reservoir of the present invention shown in FIG. 2 moves only in the horizontal direction after a fixed amount of liquid is supplied, and does not move in the vertical direction.
[0024]
On the other hand, if a sufficiently thick tube is adopted while having a shape similar to that of FIG. 2, the liquid level becomes governed by gravity, and as shown in FIG. Become mobile. In a structure in which the inner wall of the liquid reservoir is divided into a side surface, a ceiling surface, and a bottom surface as shown in FIGS. 2 and 3, a portion where the liquid surface contacts the inner wall is a ceiling surface as shown in FIG. In a sufficiently thick tube, it is the side as shown in FIG. In order to form a liquid surface that moves mainly horizontally during liquid supply, which is one of the important objects of the present invention, a liquid surface in contact with the ceiling surface is necessary and sufficient as shown in FIG. This is a sufficient requirement that the structure B be used. Even if the arrangement of the liquid reservoir is deviated from the horizontal direction and tilted, there is an effect of suppressing the vertical displacement of the liquid surface of the liquid reservoir compared to the total amount of liquid supply. Note that this arrangement direction has no suppression effect only when it is arranged in the vertical direction.
[0025]
The present invention is a liquid sending method in which the liquid sending speed does not change within the focused time, but is applied to the liquid sending method in which the flow rate is appropriately changed by utilizing the characteristics of the fine tube that can freely define the liquid level. You can also.
[0026]
Further, by making the downstream liquid reservoir a structure as shown in FIG. 4, a liquid surface against gravity can be formed, and a change in flow velocity can be suppressed. The upstream reservoir may be on the side that resists gravity. Here, the liquid surface that resists gravity is, when viewed macroscopically, a liquid surface on which the transfer liquid is above the external fluid. In the normal head method, the liquid level in the upstream liquid reservoir goes down and the liquid level in the downstream liquid reservoir rises, so the difference in liquid level height is eliminated. Is formed, the descending and ascending are reversed, and the ascending and ascending or descending and descending relations are established, and the displacement of the difference in the liquid level is eliminated. Further, in the liquid feeding device of the present invention, the area of the liquid surface of the upstream liquid reservoir and the area of the liquid surface of the downstream liquid reservoir are always the same, and the liquid surface heights of the upstream liquid reservoir and the downstream liquid reservoir are different. Is preferably constant, and the requirement can further stabilize the flow rate. In particular, the area of the liquid surface of the upstream liquid reservoir and the area of the liquid surface of the downstream liquid reservoir are always the same, and the difference between the liquid surface height of the upstream liquid reservoir and the liquid surface height of the downstream liquid reservoir is constant. If designed, the degree of ascending or descending becomes the same, and there is no change in flow velocity in principle. To form a liquid surface that resists gravity, the reservoir is structure B. In the outward direction of the flow system, that is, in the upstream reservoir, the direction opposite to the direction of movement of the liquid surface of the reservoir is the downstream liquid. In the reservoir, it is a sufficient requirement that the direction of travel of the liquid surface of the reservoir is inclined downward or vertically downward. When the downstream reservoir is sufficiently thick, a liquid surface that resists gravity is not formed, so that it is impossible to form a downstream reservoir in which the liquid surface descends as the liquid is fed.
[0027]
Note that the shape of the inlet in FIG. 2 is a shape written for a similarity comparison with FIG. 3 and is not an essential shape in the present invention. Further, the flow path other than the liquid reservoir structure is only required to be able to realize the principle of the siphon, and the bent structure at the downstream portion in FIG. 2 is not an essential shape in the present invention.
[0028]
As described above, when the external fluid and the transfer liquid directly form an interface, by using the structure A at the liquid surface portion as shown in FIG. And a structure corresponding to a liquid level against gravity.
[0029]
In the present invention, preferably, the atmosphere is the external fluid, and the aqueous fluid is the transfer liquid. The use of the atmosphere is because the apparatus can be easily configured, and the use of the aqueous fluid can utilize a high surface tension and has various practical application fields. For this reason, when the head method is used, the transport liquid drops macroscopically according to gravity. However, depending on the combination of the external fluid and the transfer liquid, the specific gravity of the transfer liquid can be made lower than that of the external fluid. For example, this is the case where chloroform is used as the external fluid and an aqueous solution is used as the transfer liquid. In this case, the transfer liquid rises macroscopically due to gravity. For this reason, in the present invention, the portions described as ascending and descending for convenience must be read in the opposite direction depending on the combination.
[0030]
Although it is desirable to adopt the structure for both the upstream and downstream liquid reservoirs, only one side can be used if the flow rate change can be tolerated depending on the application. In order to suppress the change in height, it is desirable that the pipe direction is substantially horizontal, but this is not the case when the change in flow velocity can be tolerated. Also, when suppressing the change in height difference by canceling the change in height, it is desirable that the upstream and downstream reservoirs have substantially the same inclination, but if the flow velocity change can be tolerated depending on the application. This is not the case.
[0031]
Various components constituting the flow system other than the liquid reservoir and the flow channel may be any components within the range in which the principle of the head method and the suppression of the flow velocity change of the present invention are expected. Preferably, a metal pipe such as stainless steel or copper, a pipe made of silicon rubber, fluorine resin or other resin, a pipe made of glass or fused silica, a groove formed in the plate and bonded to another plate. It is more preferable to use a fused silica capillary, a Teflon (registered trademark) tube, or an on-chip capillary structure that can easily form a fine structure. A groove or hole without a lid structure, or a branch tube shape with a topologically open surface to the external fluid is undesirable because the pressure does not propagate properly. However, this does not apply to the case where the flow is controlled by adding a valve or the like.
[0032]
The structure of the liquid reservoir can take any shape as long as the principle of the head method and the suppression of the flow velocity change of the present invention are expected. In one example, one having the same cross-sectional shape with respect to the liquid feeding direction as the other components in the flow system can be used. Preferably, when a piping member such as a fused silica capillary or a Teflon (registered trademark) tube is used as another component in the flow system, the piping member can be used for a liquid storage structure. When an on-chip capillary structure is adopted as another component in the flow system, an on-chip capillary structure based on the same design rule can be used for the liquid reservoir structure. On the other hand, one having a cross-sectional shape different from the other components in the flow system can be used. For example, a horizontal gap formed simply by two flat plates can be used. In this case, if a part of the gap is connected to the flow system by an appropriate piping shape, a vertical wall structure is unnecessary. It is preferable from the viewpoint of securing the capacity of the liquid reservoir that the shape of the liquid reservoir be sufficiently wide in the horizontal direction and sufficiently wide in the vertical direction in a range where the flow velocity change suppression of the present invention is expected. If the cross section in the liquid feeding direction is narrow, it is necessary to form a liquid reservoir structure long in the liquid feeding direction as necessary. This is because it is necessary to increase the cross-sectional area in the direction. An auxiliary horizontal, vertical, arbitrary, or indeterminate microstructure can be formed in the reservoir such that the surface tension becomes dominant. Also, a plurality of such liquid reservoir structures can be combined in parallel. The indeterminate microstructure refers to, for example, a fibrous member such as cotton, but is not limited thereto.
[0033]
The on-chip capillary structure can be made of silicon, glass, quartz glass, ceramics, acrylic resin, polycarbonate, silicone rubber, other resins, their composite materials, or a combination thereof, but is limited to these materials It is not done. Manufacturing methods include cleaning, photolithography, electron beam lithography, other lithography, screen printing, etching, bonding, dicing, polishing, stretching, annealing, assembly, plasma processing, ion implantation, doping, thermal oxidation, plating, injection molding, Processing such as hot embossing is performed in combination, but is not limited to the processing described here. It is preferable to previously modify the surface to be brought into contact with the transfer liquid from the viewpoint of controlling the contact angle and preventing the components from adhering.
[0034]
The flow velocity follows the behavior of the conventionally known head method. It is desirable to control the head and pressure loss as needed. Generally, it is known that the Reynolds number is sufficiently small in a fine channel to form a Poiseuille flow. For the case where the flow system takes a simple tube shape, the pressure loss can be obtained from the Hagen-Poiseuille equation. When taking a complicated shape, the pressure loss can be obtained experimentally or by computer simulation. The method of experimentally obtaining the flow velocity is a method of calculating the weight of the liquid sent in a unit time, coloring, fluorescence, or electrochemical characteristics due to chemical substances included in the liquid sent in a unit time The flow inside the tube is visualized by optically or electrochemically reading the changes in the flow, by visualizing the flow by sending an emulsified or suspended liquid, and by capturing moving images or continuous still images within a short time. A method of measuring a moving distance and calculating a flow velocity, or a method of measuring using a flow meter installed inside can be adopted.
[0035]
The flow system of the present invention does not matter whether the upstream and downstream reservoirs and other flow system components are on the same plane. In the conventional liquid feeding method using the head method, it is necessary to adopt a pipe structure in which an image obtained by projecting the flow path of the flow system on a vertical plane takes a bent shape. In the liquid feeding method of the present invention, if there is no restriction on the external device and a sufficient flow rate necessary for use is secured, all the components of the flow system are formed on the same plane, and the plane is used by tilting the plane. can do. On the other hand, if the components are required to be arranged horizontally or vertically to connect with external detectors and control devices, or if it is necessary to form a sufficient head, the flow system flow path in a vertical plane It is desirable for the components of each flow system to lie in different planes through a tube structure that results in a bent image of the projected image. For example, when an existing optical microscope is used for the detection system, the optical flow cell is desirably arranged vertically or horizontally, more preferably horizontally. Arranging the reservoir structure of the present invention in at least one of the optical flow cells must go through a structure that bends out of the typical plane formed by the optical flow cell.
[0036]
By utilizing the liquid stream thus formed, various analyzes, purifications and productions can be performed. For analysis, liquid chromatography, flow injection analysis, field flow fractionation, capillary electrophoresis, nucleic acid analysis, and protein analysis; for purification, membrane separation and column separation; for production, gene amplification reactions and cell-free protein synthesis Can be performed, but is not limited thereto.
[0037]
Two or more kinds of liquid transfer methods can be combined with the liquid transfer method according to the purpose in promoting utilization such as replenishment and filling of the transfer liquid. The liquid feeding method to be combined includes, but is not limited to, a liquid feeding method using an internal or external pump, a liquid feeding method using a capillary phenomenon, and an electroosmotic flow.
[0038]
It is preferable to provide a mechanism for appropriately replenishing the liquid in the upstream liquid reservoir and removing the liquid from the liquid reservoir in the downstream part, but this is not always necessary. This is because the capacity of the liquid reservoir structure in the present invention tends to be smaller than that of the conventional liquid reservoir, and it is necessary to appropriately replenish the liquid for long-time or multiple use. For replenishment and discharge, a liquid feeding method different from the present invention can be used. From the aspect of simplification of the apparatus, it is desirable that the operator performs replenishment and discharge with a simple syringe or the like.
[0039]
To start or stop liquid transfer, a method of forming a head by rotating, tilting, rising, descending, moving horizontally, twisting, or a combination of all or part of the flow system, or a flow system There is a method of opening and closing a valve disposed at such a position, but the method is not limited to this. In order to start the liquid transfer, a damming structure is arranged in a part of the flow system, and the pre-filled transfer liquid is dammed, and the damping structure is opened or broken to send the transfer liquid. It was found to be liquid.
[0040]
The valve of the flow system may be located in the middle of the flow or on the open side of the reservoir. By placing a valve, which is known as a valve in the microfluidics region, for piezoelectrically controlling or pneumatically controlling the diaphragm structure of silicon or resin in the middle of the flow, it is possible to appropriately control the start and stop of liquid supply. By forming a valve at a position where a part of the closed liquid reservoir is released to the external fluid, it is also possible to start and stop liquid supply. If one-time use is intended, a method of releasing to the atmosphere by breaking a part of the structure instead of the exact structure of the valve can be adopted.
[0041]
The liquid used as the transfer liquid in the present invention may be any liquid having a surface tension other than 0, but is preferably an aqueous liquid. The aqueous liquid may be any of pure water, an aqueous solution, a colloid liquid, and a suspension liquid. More preferably, it is a liquid from which substances or objects that may cause clogging of the flow system are removed in advance. Depending on the application, blood, urine, other body fluids, tap water, river water, seawater, culture solution, culture extract, reaction solution, mixed solution of organic solvent and water can be used, but is not limited thereto It is not done.
[0042]
The fluid on the side that is not the transfer liquid constituting the liquid surface may be any fluid that forms an interface with the transfer liquid, and may be a liquid, but is preferably air. By placing the flow system in a liquid having a higher specific gravity than the transfer liquid, the liquid can be apparently sent in a direction opposite to gravity. Hereinafter, the effects of the present invention will be described more specifically with reference to examples.
[0043]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
[0044]
Example 1
50 cm of a fused silica capillary (manufactured by GL Sciences) having an inner diameter of 200 μm was prepared, and 0.5 ml of a 1N sodium hydroxide solution was passed therethrough, and then 0.5 ml of ultrapure water was passed therethrough. The polyimide garment of about 1 cm in the central portion was burned off, and a total of 5 cm before and after the polyimide garment were fixed on a slide glass with cellophane (registered trademark) tape. All of the liquid sending methods other than the head drop method were performed by suctioning through a silicone rubber with a 1 ml syringe (manufactured by Terumo Corporation). The 10 cm portions at both ends were fixed on the horizontal surface of a 10 cm long piece of wood. Place the slide glass on a microscope with a CCD camera (Olympus, BX-70), place the right end wood piece at a predetermined angle so that the position 10 cm from the right end is the same height as the slide glass, and fix the wood piece with a clamp did. Marks were made in advance at 1 cm and 5 cm from the left end. 1 g of dried yeast (product code No. 259-0015, manufactured by Wako Co., Ltd.) was dissolved in 1 liter of ultrapure water. The left end was immersed in a yeast suspension at approximately the height of a glass slide, aspirated from the right end, filled with yeast solution to a position 10 cm from the right end, and the syringe was removed. The left end wood piece was fixed horizontally with a clamp that can move vertically. While an alarm was sounded every 0.5 seconds by an electronic metronome, the yeast was focused on with a microscope and photographing with a digital video (WV-DR7, manufactured by Sony Corporation) was started, and at the same time, the alarm sound was voice-recorded. The left end piece was fixed at a predetermined angle so that the left end was flush with the slide glass, the yeast reservoir was removed, and the left end piece was quickly lifted to the predetermined height while recording a video counter. The time when the liquid surface passed 1 cm and 5 cm from the left end was measured by a stopwatch, and voice noise was added. After the photographing, the frames at the start time, 1 cm passage time, and 5 cm passage time were specified using the time, the alarm sound, and the voice noise as indices. By the frame feed function, the movement of four yeast particles is specified at random from the 1 and 5 cm passing points and the subsequent one to five consecutive frames, and the relative flow rate is determined from the distance moved on the monitor. The ratio was calculated, and the ratio of the relative flow velocity at the time of 5 cm passage to the relative flow velocity at the passage of 1 cm was calculated.
[0045]
When the head is placed horizontally on both the left and right to form a 4 cm or 8 cm drop, the left end is tilted by 45 degrees to raise, and the right end is tilted by 45 degrees to lower the right end to form a 10 cm drop. And the relative flow rate ratio was 1. The right end was placed horizontally, and the left end was set horizontally and 45 degrees so that the position 5 cm from the left end was 5 cm, and they were 1.02 ± 0.03 and 0.62 ± 0.02, respectively.
[0046]
Comparative Example 1
In the flow system of Example 1, the right end was placed horizontally, and the left end side was made vertical (end upward) so that the position 5 cm from the left end was 5 cm. It was inferior to Example 1.
[0047]
Example 2
According to a known method (the method described in paragraphs 61 to 67 of the embodiment of the invention of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-85961), a 100 μm thick thick photoresist (manufactured by Micro Chemical Corporation, SU-8 (50)) was patterned, and a 2 mm-thick plate (25 mm × 40 mm) transferred to PDMS (“Silgard” 184, manufactured by Dow Corning Silicone Co., Ltd.) was used as a mold. FIG. 6 shows the pattern used. The thick part has a width of 10 mm and the thin part has a width of 100 μm. A through-hole was made using a stainless steel tube of φ2 mm at two through-hole forming positions shown in the figure, and a Teflon (registered trademark) tube having a length of 10 to 15 cm was bonded using an adhesive. After the transferred surface of the PDMS plate and the slide glass were irradiated with oxygen plasma, the irradiated surfaces were bonded together. With this method, the flow system shown in FIG. 7 was obtained. Here, the right Teflon (registered trademark) tube of the left chip is connected as the left Teflon (registered trademark) tube of the right chip. The yeast suspension was sucked and introduced from left to right in the same manner as in Example 1. The yeast suspension was introduced to the area of 1 cm in width beyond the 100 μm capillary of the right chip and the downstream enlarged tube portion, and from the yeast reservoir during the introduction. The liquid surface of the left chip was pulled up so as to be at a more upstream position in a region of 1 cm width on the upstream side. The syringe for aspiration was removed at this point. While observing the 100 μm region of the right chip with a microscope and photographing a video, the left chip was moved up and down as appropriate while keeping the horizontal position.
[0048]
When the height of the left tip with respect to the right tip was changed as appropriate, such as 5 cm, 8 cm, and -5 cm, the liquid could be reversibly sent as a result. Was within range.
[0049]
Example 3
An acrylic plate having a size of 3 cm square and a thickness of 5 mm was arranged in parallel via a 1 cm resin spacer, and the gap was filled with absorbent cotton. When the two ends of the fused silica capillary of Example 1 were inserted into each of the two acrylic plate structures by 1 cm, and when the acrylic plate structure was horizontally arranged, the yeast suspension of Example 1 was fed. At a head of 10 cm, a change in flow rate of 50% or more of the yeast suspension impregnated into the acrylic plate structure was within the range of the error.
[0050]
Example 4
One end of the glass tube was extended so as to leave at least 10 cm of a straight glass tube having an inner diameter of 8 mm and a length of 15 cm and having a circular cross section, thereby forming a capillary. A glass tube on the non-capillary side of a 1% agarose gel having a thickness of 1 cm was pointed out, and a cylindrical gel was cut out and placed inside the tube. The yeast suspension is introduced from the side of the capillary by aspirating from the non-capillary side, and the discharge and suction are repeated while evacuating air bubbles to obtain a tube without bubbles, the capillary side of which is filled with the yeast suspension from the gel. Was. This capillary was inserted into the acrylic plate structure of Example 3 by 1 cm, and the flow visualized by the yeast in the capillary was video-photographed through a microscope. With a head drop of 10 cm, no change in flow rate could be observed while the 8 cm gel was moving.
[0051]
Example 5
After constructing the flow system of Example 4, the non-capillary side of the glass tube was sealed with parafilm to form a 10 cm drop. At this point, no flow occurred, but when the parafilm was broken by the blade, the flow velocity immediately became the predetermined flow velocity, and a stable flow velocity was confirmed as in Example 4.
[0052]
【The invention's effect】
INDUSTRIAL APPLICABILITY The liquid sending method and apparatus of the present invention can use a low-cost and simple gravity as a liquid sending driving force and perform stable liquid sending, so that the entire flow system can be reduced in size and weight, and can be used for in-situ analysis and desktop ON. An analysis or production device suitable for demand production or the like can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic vertical cross-sectional view of a flow system for explaining a liquid level behavior of a conventional head method according to an embodiment.
FIG. 2 is a schematic vertical sectional view of a flow system for explaining the liquid level behavior in the head method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic vertical sectional view of a flow system for explaining that there may be a liquid sending device similar to FIG. 2 which does not satisfy requirements in the present invention.
FIG. 4 is a schematic vertical sectional view of a flow system for explaining a liquid level behavior in a head method according to claims 2 and 3 of the present invention.
FIG. 5 is a schematic vertical sectional view of a flow system for explaining a liquid level behavior in a head method according to claims 4 to 6 of the present invention.
FIG. 6 is a flow path pattern of the flow chip of Example 2.
FIG. 7 is a schematic diagram of a flow system according to a second embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Upstream reservoir
2 Downstream reservoir
3 Flow system
4 Liquid level in the reservoir
5 Liquid level in the reservoir after a certain period of time
6 Typical position of the liquid level
7 Typical position of the liquid level after a certain period of time
8 Structure A
9 Channel pattern
10 Through hole drilling position
11 Upstream reservoir chip
12 Observation site and downstream reservoir tip
13 Teflon (registered trademark) tube