JP4858909B2 - Microfluidic device with discharge mechanism and method for discharging a small amount of sample - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロチップ中の微量サンプルを吐出するための機構を備えるマイクロ流体デバイス及びマイクロチップ中の微量サンプルの吐出方法に関する。 The present invention relates to a microfluidic device including a mechanism for discharging a micro sample in a microchip and a method for discharging a micro sample in a microchip.
バイオ、化学応用、分析においては、微量サンプルの計量と計量後の取り扱いにおいて、一般にディスポーザブル型の先端チップを持つマイクロピペットが用いられる。しかし、マイクロピペットを用いたマイクロリットル以下の微量サンプルの計量と取り扱いは非常に困難である。 In biotechnology, chemical application, and analysis, a micropipette having a disposable tip is generally used for weighing a small amount of sample and handling it after weighing. However, it is very difficult to weigh and handle a micro sample of microliter or less using a micropipette.
これまでに、微量サンプルの計量と取り扱いについてはインクジェットヘッドの分野で研究及び実用化がされている。例えば、圧電素子を駆動源とするか、または電気ヒータでの加熱により発生した気泡によって、微量サンプルを微小液滴として吐出させるインクジェットヘッド及びその駆動方法が知られている(特許文献1)。 So far, the measurement and handling of trace samples have been studied and put into practical use in the field of inkjet heads. For example, an inkjet head that uses a piezoelectric element as a drive source or bubbles generated by heating with an electric heater to discharge a minute sample as minute droplets and a driving method thereof are known (Patent Document 1).
また、電気泳動や化学反応用、分析用のマイクロチップでは、直径数ミクロンから百数十ミクロン程度の細い流路が用いられており、その内部に水、各種水溶液、有機溶媒、各種化学薬品等の液体を入れて使用する。 Microchips for electrophoresis, chemical reaction, and analysis use thin channels with a diameter of several to hundreds of microns, and water, various aqueous solutions, organic solvents, various chemicals, etc. Use the liquid.
このようなマイクロチップの細い流路の内部に存在する液体の、マイクロチップ流路内での制御方法は知られているが(特許文献2)そのようなマイクロチップ流路内液体の特定部分、またはマイクロチップ流路内で分析・分離された特定の物質を、一定した量で、該流路外部に取り出すことは非常に困難である。 Although the control method in the microchip channel of the liquid existing in the thin channel of such a microchip is known (Patent Document 2), a specific part of the liquid in the microchip channel, Alternatively, it is very difficult to take out a specific substance analyzed / separated in the microchip channel out of the channel in a constant amount.
マイクロチップにおけるサンプルの取り出しに関しては、ゴム等、弾性材の変形を用いるもの、蓋部品を物理的に移動させるもの、ポンプによる負圧を利用するもの(特許文献3)等数種類のマイクロバルブが開発されているが、これらは先端チップ、マイクロチップと一体化した複雑な駆動ユニット、あるいは外部の駆動用ガス圧力を必要としマイクロチップとの接合部が大きな面積を占有する、装置が大がかりになる、チップのディスポーザブル化が難しい等の問題があった。
本発明は、微量サンプルの計量及び取り扱いがより簡便であり、小型化に適した、電気泳動用、化学反応用、分析用等のマイクロチップを備える吐出機構付マイクロ流体デバイス、及び当該マイクロチップにおけるマイクロ流路からのサンプルの取り出し方法を提供することを目的とする。 The present invention relates to a microfluidic device with a discharge mechanism having a microchip for electrophoresis, chemical reaction, analysis, etc., which is easier to measure and handle a small amount of sample and is suitable for miniaturization, and the microchip. It is an object to provide a method for taking out a sample from a microchannel.
このようななか、本発明者らは、マイクロチップにおけるマイクロ流路内壁に備えられた吸収体にレーザ光を当てて気泡を生じさせることによって、マイクロ流路中の物質を吐出ポートから簡便に吐出させ得ることを見出した。本発明者らは、さらに、チップ、液体の光透過性、吸収体の光吸収率、レーザのパルス幅、ピークパワー等の組み合わせを検討した結果、本願発明を完成するに至った。 Under such circumstances, the present inventors can easily discharge the substance in the microchannel from the discharge port by applying a laser beam to the absorber provided on the inner wall of the microchannel in the microchip to generate bubbles. Found to get. The present inventors have further studied the combination of the chip, the light transmittance of the liquid, the light absorption rate of the absorber, the pulse width of the laser, the peak power, and the like, and as a result, the present invention has been completed.
本発明は、以下の吐出機構付マイクロ流体デバイス、及びマイクロチップからの微量サンプル吐出方法に関する。 The present invention relates to the following microfluidic device with a discharge mechanism and a method for discharging a small amount of sample from a microchip.
項1.少なくとも一つのマイクロ流路、マイクロ流路外部へ物質を吐出し得る少なくとも1つのポート及び該マイクロ流路内側面に少なくとも1つの吸収体を備えたマイクロチップにおいて、前記吸収体にレーザ発生装置からのレーザを吸収させてマイクロ流路内の液体を加熱して気泡を発生させ、マイクロ流路内の物質をマイクロ流路外に吐出させることを特徴とする、微量サンプル吐出方法。
項2.物質が移動する少なくとも一つのマイクロ流路、マイクロ流路外部へ物質を吐出し得る少なくとも1つのポート及び該マイクロ流路内側面に少なくとも1つの吸収体を備えたマイクロチップならびに
少なくとも1つのレーザ発生装置
を備えた吐出機構付マイクロ流体デバイスであって、
前記吸収体が前記レーザ発生装置からのレーザを吸収してマイクロ流路内の液体を加熱して気泡を発生させ、マイクロ流路内の物質をマイクロ流路外に吐出し得る、吐出機構付マイクロ流体デバイス。
A micro with an ejection mechanism in which the absorber absorbs the laser from the laser generator and heats the liquid in the micro channel to generate bubbles, and the substance in the micro channel can be ejected outside the micro channel. Fluid device.
項3.前記マイクロチップが前記物質が移動する第1マイクロ流路と、薄膜を介して該第1マイクロ流路と隔てられた第2マイクロ流路と、該第1マイクロ流路外部へ物質を吐出し得るポートとを備えており、該第2マイクロ流路内壁には気泡を形成し得る気泡発生機構が設置されており、気泡発生により薄膜を介して第1マイクロ流路内の物質を押し、第1マイクロ流路外に吐出し得る、項2に記載の吐出機構付マイクロ流体デバイス。
項4.前記吸収体とポートとの組み合わせを2組以上有し、前記レーザ発生装置の数が該吸収体とポートとの組み合わせの数よりも少なく、レーザ光のスキャン装置、チップ移動装置またはレーザ光のスキャン装置とチップ移動装置との組み合わせをさらに備える、項2または項3に記載の吐出機構付マイクロ流路デバイスであって、該レーザ光のスキャン装置、チップ移動装置またはレーザ光のスキャン装置とチップ移動装置との組み合わせを用いてレーザ光照射先の吸収体とポートとの組み合わせを切り替えて吐出を行うことを特徴とする、吐出機構付マイクロ流体デバイス。
Item 4. There are two or more combinations of the absorber and the port, the number of the laser generators is smaller than the number of the combination of the absorber and the port, and the laser beam scanning device, the chip moving device, or the laser beam scanning Item 4. The microchannel device with an ejection mechanism according to
項5.前記マイクロチップが電気泳動用、化学反応用、分析用あるいは、微小サンプル量制御用マイクロチップである項2〜4のいずれか一項に記載の吐出機構付マイクロ流体デバイス。
項6.前記マイクロチップがディスポーザブル型マイクロチップである、項2〜5のいずれか一項に記載の吐出機構付マイクロ流体デバイス。
Item 6. Item 6. The microfluidic device with a discharge mechanism according to any one of
項7.物質が少なくとも1つのマイクロ流路上を移動して、ポート付近に移動したときに、前記マイクロ流路の内側面に設けた吸収体にパルス状のレーザ光を照射して気泡を発生させ、該ポート付近に存在する物質を流路外に吐出させることを特徴とする、マイクロチップからの微量サンプル吐出方法。 Item 7. When the substance moves on the at least one microchannel and moves to the vicinity of the port, the absorber provided on the inner surface of the microchannel is irradiated with pulsed laser light to generate bubbles, and the port A method for discharging a small amount of sample from a microchip, wherein a substance present in the vicinity is discharged out of a flow path.
項8.前記パルス状のレーザ光の照射回数により、吐出量を制御することを特徴とする項1または項7に記載の方法。
Item 8. Item 8. The method according to
本発明の吐出機構付マイクロ流体デバイスを用いれば、マイクロチップ内に駆動系を設置することなく、外部からの操作によりサンプルを吐出させることが可能となり、小型化が可能となる。 By using the microfluidic device with a discharge mechanism of the present invention, it is possible to discharge a sample by an external operation without installing a drive system in the microchip, and it is possible to reduce the size.
さらに、本発明の吐出機構付マイクロ流体デバイスはレーザが可視または近赤外であることを特徴としており、レーザダイオード等小型で安価かつ長時間安定稼働が可能なレーザを用いることができ、装置の小型化、コストの低減が可能となる。 Furthermore, the microfluidic device with a discharge mechanism of the present invention is characterized in that the laser is visible or near infrared, and a small-sized laser such as a laser diode that can be stably operated for a long time can be used. Miniaturization and cost reduction are possible.
本発明によれば、電気泳動用マイクロチップ、化学用マイクロチップ等において、容易に試料の一部を別の流路に導く、あるいは試料の一部を取り出すことが可能となるため、マイクロチップの高機能化が可能となる。 According to the present invention, in a microchip for electrophoresis, a microchip for chemistry, and the like, a part of a sample can be easily guided to another channel or a part of the sample can be taken out. High functionality can be achieved.
また、本発明において物質吐出のためにマイクロチップ内に備えられる装置は、薄膜吸収体のみである。その他の装置はマイクロチップ外部の装置であるため、本発明の吐出機構付マイクロ流体デバイス内のマイクロチップは、「使い捨て」「多点駆動」に適しており、バイオチップ等に用いることができる。 In the present invention, the device provided in the microchip for discharging the substance is only the thin film absorber. Since the other devices are devices outside the microchip, the microchip in the microfluidic device with a discharge mechanism of the present invention is suitable for “disposable” and “multi-point drive” and can be used for a biochip or the like.
以下、本発明をより詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
本発明の吐出機構付マイクロ流体デバイスは、マイクロチップ及びレーザ発生装置を備えている。 The microfluidic device with a discharge mechanism of the present invention includes a microchip and a laser generator.
本発明の吐出機構付マイクロ流体デバイスに含まれるマイクロチップは、微量サンプルの計量、取り扱い、そして電気泳動用、化学反応用、分析用等の用途に用いることができる。 The microchip included in the microfluidic device with a discharge mechanism of the present invention can be used for measuring, handling, and for electrophoresis, chemical reaction, analysis, and the like of a small amount of sample.
マイクロチップは、1本、あるいは相互に交差する2以上のマイクロ流路を有する。 The microchip has one or two or more microchannels intersecting each other.
マイクロチップにおける各流路は、バイオ用分析・試料処理流路、化学分析流路等として使用することができる。 Each channel in the microchip can be used as a bioanalysis / sample processing channel, a chemical analysis channel, or the like.
本発明の1つの実施形態において、例えば電気泳動用マイクロチップでは、マイクロ流路の両端に電極を接続して電圧をかけ、マイクロ流路上を電荷、分子量等の性質に応じて分離対象の物質を移動することができる。電気泳動により分離される物質としては、電荷を有するものであれば特に限定されないが、例えば核酸(DNA、RNA)、ペプチド、タンパク質、ムコ多糖、リン脂質等の生体由来の物質、植物抽出物、或いは天然ないし合成の生理活性物質が広く例示される。 In one embodiment of the present invention, for example, in a microchip for electrophoresis, a voltage is applied by connecting electrodes to both ends of a microchannel, and a substance to be separated is distributed on the microchannel according to properties such as charge and molecular weight. Can move. The substance separated by electrophoresis is not particularly limited as long as it has a charge. For example, a substance derived from a living body such as nucleic acid (DNA, RNA), peptide, protein, mucopolysaccharide, phospholipid, plant extract, Alternatively, natural or synthetic physiologically active substances are widely exemplified.
本発明の他の実施形態において化学反応用チップでは、例えばマイクロ流路の両端から反応に関与する物質を各々供給し、マイクロ流路内で反応生成物を得る構成が例示される。試薬が複数存在する場合には、試薬の数に応じた数のマイクロ流路を形成し、マイクロ流路の交点で反応生成物を得ることも可能である。 In another embodiment of the present invention, the chemical reaction chip is exemplified by a configuration in which substances involved in the reaction are supplied from both ends of the microchannel, for example, and a reaction product is obtained in the microchannel. When a plurality of reagents are present, the number of microchannels corresponding to the number of reagents can be formed, and a reaction product can be obtained at the intersection of the microchannels.
マイクロ流路は、液体により満たされる。液体としては、例えば、水、含水溶媒(水と水混和性有機溶媒の混合物)、有機溶媒、緩衝液を含む有機物質または無機物質が溶解した水溶液または有機溶媒溶液等が挙げられ、水、含水溶媒、有機溶媒等が好ましい。該液体は、加熱により気泡を発生するものである。 The microchannel is filled with liquid. Examples of the liquid include water, an aqueous solvent (a mixture of water and a water-miscible organic solvent), an organic solvent, an aqueous solution or an organic solvent solution in which an organic substance or an inorganic substance including a buffer solution is dissolved, A solvent, an organic solvent, etc. are preferable. The liquid generates bubbles by heating.
有機溶媒としては、明確な沸点を有するものであれば特に限定されないが、例えば、アルコール、エーテル等が挙げられる。 Although it will not specifically limit as an organic solvent if it has a clear boiling point, For example, alcohol, ether, etc. are mentioned.
ここでいう液体中には、タンパク、DNA、RNA、糖、糖タンパク、糖脂質等の生体高分子、または、金属、金属錯体、セラミックス等から成る微粒子が分散していてもよい。 In the liquid here, biopolymers such as protein, DNA, RNA, sugar, glycoprotein, glycolipid, or fine particles made of metal, metal complex, ceramics, or the like may be dispersed.
マイクロ流路の幅又は直径は、1〜1000μm程度、好ましくは2〜500μm程度、より好ましくは5〜400μm程度である。 The width or diameter of the microchannel is about 1-1000 μm, preferably about 2-500 μm, more preferably about 5-400 μm.
本発明のマイクロチップは、少なくとも1本のマイクロ流路内側面に気泡を発生させ得る気泡発生手段を有し得る。マイクロ流路内にある、上記反応生成物等の所望の物質は、発生した気泡によって、吐出ポート(以下、吐出口ということもある)を介してマイクロチップ外へと押し出される。 The microchip of the present invention may have bubble generating means that can generate bubbles on the inner surface of at least one microchannel. A desired substance such as the reaction product in the microchannel is pushed out of the microchip by a generated bubble through a discharge port (hereinafter also referred to as a discharge port).
吸収体はレーザ光を吸収する光吸収体であり、光吸収体の吸収率は、0.1〜0.99程度、好ましくは0.15〜0.9程度である。 The absorber is a light absorber that absorbs laser light, and the absorption rate of the light absorber is about 0.1 to 0.99, preferably about 0.15 to 0.9.
吸収体は、マイクロ流路の内側面に1つ設置されていても、複数設置されていてもよい。 One absorber may be installed on the inner surface of the microchannel, or a plurality of absorbers may be installed.
吐出ポートもまた、マイクロ流路の内側面に1つ設置されていても、複数設置されていてもよい。 One discharge port may also be installed on the inner surface of the microchannel, or a plurality of discharge ports may be installed.
吸収体と吐出ポートとの距離は、両者の端間距離で0〜1000ミクロン程度、好ましくは0〜500ミクロン程度である。 The distance between the absorber and the discharge port is about 0 to 1000 microns, preferably about 0 to 500 microns, as the distance between both ends.
吸収体と吐出ポートとの距離を上記範囲とすることによって、気泡発生により生じた圧力が吐出ポート付近まで十分に伝わり、比較的小さなパルスエネルギーでも物質を吐出させることができる。 By setting the distance between the absorber and the discharge port within the above range, the pressure generated by the generation of bubbles is sufficiently transmitted to the vicinity of the discharge port, and the substance can be discharged even with relatively small pulse energy.
吸収体は、吐出ポート1つに対し1つ設置されていても、吐出ポートをはさむように2つ設置されていても、吐出ポートの周りを囲むように複数設置されていてもよい。 One absorber may be installed for each discharge port, two absorbers may be installed so as to sandwich the discharge port, or a plurality of absorbers may be installed so as to surround the discharge port.
吐出ポートのマイクロチップ表面側の吐出口径(以下、表面側吐出口径ということもある)は、マイクロ流路中の液体の種類により変化し得るが、通常1μm〜500μm程度、好ましくは5μm〜100μm程度である。また、吐出ポートのマイクロ流路壁部側の吐出口径(以下、流路側吐出口径ということもある)は、マイクロ流路中の液体の種類により変化し得るが、通常1μm〜500μm程度、好ましくは5μm〜100μm程度ある。 The discharge port diameter of the discharge port on the microchip surface side (hereinafter sometimes referred to as “surface-side discharge port diameter”) may vary depending on the type of liquid in the microchannel, but is usually about 1 μm to 500 μm, preferably about 5 μm to 100 μm. It is. The discharge port diameter of the discharge port on the side of the micro flow channel wall (hereinafter also referred to as flow channel side discharge port diameter) may vary depending on the type of liquid in the micro flow channel, but is usually about 1 μm to 500 μm, preferably It is about 5 μm to 100 μm.
上記範囲内で吐出口径を変化させることによって、吐出された液滴の大きさを制御し得る。 By changing the ejection orifice diameter within the above range, the size of the ejected droplets can be controlled.
照射する光は、250nm〜1200nm程度の波長を有する任意の光源が使用でき、可視光、紫外線、赤外線等が使用でき、好ましくはレーザ光を使用する。 As the irradiation light, any light source having a wavelength of about 250 nm to 1200 nm can be used, visible light, ultraviolet light, infrared light or the like can be used, and laser light is preferably used.
レーザ光は、マイクロ流路内の液体をサブマイクロメートルからマイクロメートルの狭い範囲で加熱することができ、気泡を速やかに発生させることができるので、好ましい。 Laser light is preferable because the liquid in the microchannel can be heated in a narrow range of submicrometer to micrometer and bubbles can be generated quickly.
吸収体はマイクロ流路のいずれの位置に設けてもよく、複数のマイクロ流路の交点またはその近傍に吸収体を設けてもよい。吸収体は、気泡発生に伴う圧力により、その近傍に存在する物質を移動、好ましくはマイクロ流路に設けられた吐出口からマイクロ流路外に(例えば、図2では回収容器7側)に吐出させることができる。 The absorber may be provided at any position of the microchannel, and the absorber may be provided at the intersection of the plurality of microchannels or in the vicinity thereof. The absorber moves the substance existing in the vicinity by the pressure associated with the generation of bubbles, preferably discharged from the discharge port provided in the microchannel to the outside of the microchannel (for example, the collection container 7 side in FIG. 2). Can be made.
吸収体は、マイクロ流路内の液体を、気泡ができる程度まで加熱可能なものであり、好ましくは該液体の沸点又はそれ以上に速やかに加熱可能なものである。液体を速やかに加熱することができれば、吐出口またはその近傍に存在する物質を迅速に吐出させることができる。加熱開始から液体の沸点以上まで加熱する時間は、通常10ミリ秒以内、好ましくは10ナノ〜1ミリ秒、より好ましくは50ナノ〜100マイクロ秒程度である。吸収体によりマイクロ流路内の液体が速やかに加熱できれば、吐出口及びその付近の物質を逃さずに吐出させることができるために好ましい。 The absorber is capable of heating the liquid in the microchannel to the extent that bubbles are formed, and is preferably capable of heating rapidly to the boiling point of the liquid or higher. If the liquid can be heated quickly, the substance present at or near the discharge port can be discharged quickly. The time for heating from the start of heating to the boiling point of the liquid or more is usually within 10 milliseconds, preferably from 10 nanoseconds to 1 millisecond, and more preferably from about 50 nanoseconds to 100 microseconds. It is preferable that the liquid in the microchannel can be quickly heated by the absorber because the discharge port and the substance in the vicinity thereof can be discharged without escaping.
本発明の好ましい実施形態において、マイクロチップは、マイクロ流路として前記物質が移動する第1マイクロ流路と、薄膜を介して該第1マイクロ流路と隔てられた第2マイクロ流路とを備えている。当該実施形態において、気泡発生手段として、第2マイクロ流路の周辺部ないし周囲、好ましくは第2マイクロ流路に接する位置に吸収体を設け、該吸収体を加熱することで局所的に吸収体の近傍に気泡を発生させる。 In a preferred embodiment of the present invention, the microchip includes a first microchannel through which the substance moves as a microchannel, and a second microchannel separated from the first microchannel via a thin film. ing. In this embodiment, as the bubble generating means, an absorber is provided in the periphery or the periphery of the second microchannel, preferably in a position in contact with the second microchannel, and the absorber is locally heated by heating the absorber. Generate bubbles in the vicinity of
本発明の特に好ましい実施形態において、マイクロ流路の壁面付近に設置したレーザ吸収体に1ミリ秒以下の短いピークを有する強いパルスレーザを照射すると、吸収体と液体との界面の温度が急激に上昇し、液体の蒸発が起こる。液体の蒸発はレーザの1パルスあたりのエネルギー密度が0.01J/cm2以上でないと生じ難いが、一方、3J/cm2以上では、吸収体の蒸発が起こり、不純物が発生することがある。そこで、本発明では、マイクロチップ本体を透過する波長のパルスレーザを用い、マイクロチップ内流路サイズに収束させて、流路内に設置した薄膜型吸収体に照射することにより、液体を蒸発させ、マイクロ液流の制御を可能としたものである。なお、照射するレーザ光は、240〜1200nm等液流に対してある程度透過する波長のものが望ましい。例えば、532nmのYAG2倍波、可視から近赤外波長のレーザダイオード、1060〜1070nmのYAG基本波、Ybファイバーレーザ、248nmのKrFエキシマレーザ、308nmのXeClエキシマレーザ、351nmのXeFエキシマレーザ等を利用することができる。パルスレーザを用いる場合、パルス幅はレーザ吸収体を所望の時間で所望の温度に加熱できればよく、特に制限されないが、好ましくは50フェムト秒〜1ミリ秒、より好ましくは10ナノ秒〜100マイクロ秒程度である。
In a particularly preferred embodiment of the present invention, when the laser absorber installed near the wall surface of the microchannel is irradiated with a strong pulsed laser having a short peak of 1 millisecond or less, the temperature at the interface between the absorber and the liquid suddenly increases. Ascending and liquid evaporation occurs. The evaporation of the liquid hardly occurs unless the energy density per pulse of the laser is 0.01 J /
また、連続出力のレーザを走査させることによってもパルスと同等の効果を得ることができる。 In addition, the same effect as that of a pulse can be obtained by scanning a continuous output laser.
レーザの波長として240〜400nmのものを用いる場合には、マイクロチップを構成する本体として、石英ガラス等の当該波長を透過する素材を用いるのが好ましい。レーザの波長が400〜1200nmであれば、マイクロチップ本体として、石英ガラス、或いは通常のガラス、プラスチック等を使用することができる。なお、マイクロチップは、マイクロ流路に対応する溝を有する板状あるいはフィルム状の材料(マイクロチップ本体)を2枚又はそれ以上重ねることにより得ることができる。 When a laser having a wavelength of 240 to 400 nm is used, it is preferable to use a material that transmits the wavelength, such as quartz glass, as the main body constituting the microchip. If the wavelength of the laser is 400 to 1200 nm, quartz glass, normal glass, plastic, or the like can be used as the microchip body. The microchip can be obtained by stacking two or more plate-like or film-like materials (microchip body) having grooves corresponding to the microchannels.
本発明の好ましい実施形態において、気泡発生機構の構成要素である薄膜型吸収体の素材としてはレーザ波長に吸収性を有し、かつ融点が高いことが望ましく、チタン、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、アルミニウム、銅、亜鉛、スズ等の金属や、これらをベースとする合金、例えば、ステンレス、炭素鋼、黄銅、白銅、アルミニウム合金、さらにはアルミナ、ジルコニア、チタニア、窒化珪素、炭化珪素をはじめとするセラミックス等を上げることができる。 In a preferred embodiment of the present invention, the material of the thin film type absorber, which is a component of the bubble generation mechanism, desirably has an absorptivity at the laser wavelength and has a high melting point, such as titanium, iron, nickel, cobalt, and chromium. Metals such as aluminum, copper, zinc, tin, and alloys based on these, such as stainless steel, carbon steel, brass, white copper, aluminum alloys, alumina, zirconia, titania, silicon nitride, silicon carbide Ceramics and the like can be raised.
好ましい実施形態において、本発明の微量サンプル吐出方法は、レーザを利用してマイクロチップ外部から操作するので、マイクロチップ側に複雑な機構を必要としない。また、照射領域が狭いため、総出力が小さいレーザを使用することができ経済的である。 In a preferred embodiment, the micro sample ejection method of the present invention is operated from the outside of the microchip using a laser, so that no complicated mechanism is required on the microchip side. Further, since the irradiation area is narrow, a laser having a small total output can be used, which is economical.
本発明の特に好ましい実施形態において、微量サンプル吐出を行う上で、少なくとも1本の流路に吸収体を設置してレーザを照射し、その内部液体温度を沸点以上まで瞬時(マイクロ秒レベル以下)に上昇させ、発生した気体の圧力により流路内の液体の一部を吐出口からマイクロ流路外部に吐出させることができる。さらに、レーザの単一照射あたりのエネルギー密度は用いる吸収体の物性にもよるが、吸収体表面で0.01J/cm2ないし3J/cm2の範囲にあることが好ましい。この範囲の出力を与えることにより、吸収体にダメージを与えることなく、液体のみを蒸発させることができる。
In a particularly preferred embodiment of the present invention, when a small amount of sample is discharged, an absorber is placed in at least one flow path and laser irradiation is performed, and the internal liquid temperature is instantaneously raised to the boiling point or higher (microsecond level or lower). And a part of the liquid in the flow channel can be discharged from the discharge port to the outside of the micro flow channel by the pressure of the generated gas. Further, although the energy density per single irradiation of the laser depends on the physical properties of the absorber to be used, it is preferably in the range of 0.01 J /
本発明のマイクロ流体デバイスにおいては、マイクロ流路の寸法、液体の種類、吐出ポートの口径を上記範囲に設定することによって、レーザ照射がない状態では液体の表面張力により吐出ポート部分の液面が保持されるため液滴は落下せず、レーザ照射の際には気泡発生の圧力により押し出された液体が吐出量、速度等が制御された様式で吐出される。 In the microfluidic device of the present invention, by setting the dimensions of the micro flow path, the type of liquid, and the diameter of the discharge port within the above ranges, the liquid surface of the discharge port portion is caused by the surface tension of the liquid in the absence of laser irradiation. Since the droplets are held, the droplets do not fall, and the liquid pushed out by the pressure of generating bubbles is ejected in a manner in which the ejection amount, speed, and the like are controlled during laser irradiation.
本発明の特に好ましい1つの実施形態において、マイクロチップは、レーザに対して透明体、吸収体がレーザ吸収体であり、マイクロ流路外部からパルスレーザを照射することにより、レーザ吸収体が発熱することを特徴とする。 In one particularly preferred embodiment of the present invention, the microchip is transparent to the laser, the absorber is a laser absorber, and the laser absorber generates heat when irradiated with a pulsed laser from outside the microchannel. It is characterized by that.
本発明の1つの実施形態において、本発明のマイクロ流体デバイスは、吸収体とポートとの組み合わせを2組以上有し、レーザ発生装置の数が該吸収体とポートとの組み合わせの数よりも少なくてもよい。当該実施形態においては、本発明のマイクロ流体デバイスは、レーザ光のスキャン装置、チップ移動装置またはレーザ光のスキャン装置とチップ移動装置との組み合わせをさらに備えている。ここで、レーザ光のスキャン装置及びチップ移動装置は、本発明の属する分野において通常用いられるものを使用できる。レーザ光のスキャン装置、チップ移動装置またはレーザ光のスキャン装置とチップ移動装置との組み合わせを用いることによって、レーザ光照射先の吸収体とポートとの組み合わせを切り替え、各吐出ポートから液体の吐出を行うことができる。 In one embodiment of the present invention, the microfluidic device of the present invention has two or more combinations of absorbers and ports, and the number of laser generators is less than the number of combinations of absorbers and ports. May be. In this embodiment, the microfluidic device of the present invention further includes a laser light scanning device, a chip moving device, or a combination of a laser light scanning device and a chip moving device. Here, as the laser beam scanning device and the chip moving device, those usually used in the field to which the present invention belongs can be used. By using a laser beam scanning device, a chip moving device, or a combination of a laser beam scanning device and a chip moving device, the combination of the absorber and the port to which the laser beam is irradiated is switched, and liquid is discharged from each discharge port. It can be carried out.
以下実施例を用いて本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.
実施例1 マイクロチップからサンプル回収容器へのサンプル吐出
本実施例の電気泳動用マイクロチップは、マイクロチップから試料の一部を分離・吐出・回収するものである。図1に示すように、電気泳動用マイクロチップ1においては、電極穴3近傍のマイクロ流路5に試料が導入され、電極穴4に向かって流路5中を流れる中で流路5に沿って試料の質量分布が生じる。電極穴3、4、流路5は水、食塩水あるいは各種バッファ液等の液体で満たされている。
Example 1 Sample Discharge from Microchip to Sample Collection Container The microchip for electrophoresis of this example separates, discharges and collects a part of a sample from the microchip. As shown in FIG. 1, in the
本実施例では流路5の途中に吐出口6を設けている。適切なタイミングでレーザ発振器10から出力され、走査装置9とレンズ8で位置決め、収束されたレーザ光11がレーザ吸収体7に照射され、レーザ吸収体7の周辺の液体が蒸発して気泡13を生じる。この際の圧力により、吐出口6近傍の液体が移動し、吐出口から流路5の外に吐出されることで、吐出サンプル15のみをサンプル回収容器12に導くことができる。
In this embodiment, the discharge port 6 is provided in the middle of the
レーザ発生装置はパルス波または連続のレーザビームを発生する。レーザ波長はマイクロチップの材料ならびに液体による減衰の少ない400〜1200nmの範囲のものを選択することが好ましい。例えば、SHG―YAGレーザ(波長532nm)や、レーザダイオード(波長400〜1200nm)、基本波YAGレーザ(波長1064nm)、Ybファイバーレーザ(波長1070〜1100nm)等を使用することができる。吐出に十分な圧力の立ち上がりを得るために、レーザ光はパルスあるいは連続光の走査により照射し、パルス幅あるいは走査による単一照射時間は100マイクロ秒程度以下とすることが望ましい。
The laser generator generates a pulse wave or a continuous laser beam. The laser wavelength is preferably selected in the range of 400 to 1200 nm, which is less attenuated by the microchip material and liquid. For example, an SHG-YAG laser (wavelength 532 nm), a laser diode (
十分な蒸発が起こるために適当なレーザエネルギー密度は材料およびパルス幅依存性があるものの、0.01J/cm2ないし3J/cm2の範囲であることがわかっている。レーザの出力は、この範囲内で用いる液体の粘性等を考慮して決定される。
It has been found that suitable laser energy density for sufficient evaporation to occur is in the range of 0.01 J /
実施例2 種々の流路パターンのマイクロチップからのサンプル吐出
図2b、図3a、図3b、図3c及び図3dに示す種々の流路パターンを有するマイクロチップを用いてレーザ光照射をした。
Example 2 Sample discharge from microchips having various flow path patterns Laser light was irradiated using microchips having various flow path patterns shown in FIGS. 2b, 3a, 3b, 3c, and 3d.
具体的には、幅、約120μm/50μm(流路表面幅/底面幅)、深さ、約30μmのマイクロ流路を有するPMMAチップを射出成型によって形成した。各図に示す位置に、レーザ吸収体7として、金属のホイル(135μm×135μm×2μm)を設置した。厚さ約40μm(粘着材厚さ込み)のアクリル(PMMA)フィルムを、シールフィルム2として用いた。fsレーザ照射によって、シールフィルム2に吐出ポート6を形成してある。
Specifically, a PMMA chip having a microchannel having a width of about 120 μm / 50 μm (channel surface width / bottom surface width), a depth of about 30 μm was formed by injection molding. A metal foil (135 μm × 135 μm × 2 μm) was installed as the laser absorber 7 at the position shown in each figure. An acrylic (PMMA) film having a thickness of about 40 μm (including the thickness of the adhesive material) was used as the
各マイクロチップにサンプルとして水で希釈した市販赤インクを充填し、1070nmの波長のレーザ光を、0.6〜2.5J/cm2のレーザエネルギー密度となるように吸収体に照射した。 Each microchip was filled with a commercial red ink diluted with water as a sample, and the absorber was irradiated with a laser beam having a wavelength of 1070 nm so as to obtain a laser energy density of 0.6 to 2.5 J / cm 2 .
いずれの流路パターンにおいても、サンプルの吐出が確認された。 In any flow path pattern, the discharge of the sample was confirmed.
実施例3 サンプル吐出前後の質量分析データ
図2bに示す流路パターンのマイクロチップを用いて、吐出前後のサンプルの質量分析データを測定、比較した。
Example 3 Mass Spectrometry Data Before and After Sample Discharge Using the microchip having the flow path pattern shown in FIG.
幅約120μm/50μm(流路表面幅/底面幅)、深さ約30μmのマイクロ流路を有し、金属ホイル(135μm×135μm×2μm)が設置されたマイクロチップを用いた。シールフィルム2の厚さは約50μmのものを用いた。シールフィルム2には、fsレーザ照射により表面吐出口径/流路側吐出口径が44/30(ミクロン/ミクロン)の吐出口6を空けてある。
A microchip having a microchannel having a width of about 120 μm / 50 μm (channel surface width / bottom surface width) and a depth of about 30 μm and provided with metal foil (135 μm × 135 μm × 2 μm) was used. The
当該マイクロチップにタンパク質サンプル(シトクロムc:0.1mg/水1ml、1mg/水1ml、BSA:0.1mg/水1ml、1mg/水1ml)を充填した。シングルモードファイバレーザを出力40W CW及び波長1060nmで用いて吸収体7を加熱して、タンパク質サンプルを、SELDI−TOF MS用プロテインチップアレイへと吐出させた。
The microchip was filled with a protein sample (cytochrome c: 0.1 mg /
吐出前後のBSAサンプルのSELDI−TOF MSシグナルを図4a及び図4bに示す。吐出前後のシトクロムcサンプルのSELDI−TOF MSシグナルを図4c及び図4dに示す。図4a及び図4bから明らかなようにシグナル強度はサンプル濃度に比例していなかったが、ピークの位置については、吐出後BSAサンプルのシグナルと吐出前BSAサンプルのシグナルとの間に有意な差は見られなかった。図4c及び図4dから明らかなように、シトクロムcについても同様の結果が得られた。 The SELDI-TOF MS signal of the BSA sample before and after ejection is shown in FIGS. 4a and 4b. The SELDI-TOF MS signals of cytochrome c samples before and after discharge are shown in FIGS. 4c and 4d. As apparent from FIGS. 4a and 4b, the signal intensity was not proportional to the sample concentration. However, with regard to the peak position, there is no significant difference between the signal of the post-discharge BSA sample and the signal of the pre-discharge BSA sample. I couldn't see it. As is clear from FIGS. 4c and 4d, similar results were obtained for cytochrome c.
これらの結果から、本発明の吐出機構付マイクロ流体デバイスを用いることによって、レーザ照射によりタンパク質を分解、変性することなくサンプルをマイクロチップから吐出させることができることが分かる。 From these results, it can be seen that by using the microfluidic device with a discharge mechanism of the present invention, the sample can be discharged from the microchip without decomposing and denaturing the protein by laser irradiation.
実施例4 吐出回数と吐出量との関係
タンパク質サンプルとしてBSAサンプル(0.1mg/水1ml)を用い、実施例3と同様にして、レーザ照射によりマイクロチップからサンプルをSELDI−TOF MS用プロテインチップアレイへと約600回吐出させた。
Example 4 Relationship between the number of discharges and the discharge amount As a protein sample, a BSA sample (0.1 mg / 1 ml of water) was used, and in the same manner as in Example 3, a sample was removed from a microchip by laser irradiation, and a protein chip for SELDI-TOF MS Approximately 600 discharges were made to the array.
吐出されたサンプルのシグナルを、SELDI−TOF MSを用いて検出し、検出シグナルから吐出量を評価した。各吐出(射出)回数時点での検出信号を図5に示す。 The signal of the discharged sample was detected using SELDI-TOF MS, and the discharge amount was evaluated from the detection signal. FIG. 5 shows detection signals at the time of each ejection (injection).
図5から明らかなように、吐出回数に比例して信号レベルが変化している。従って、本発明の吐出機構付マイクロ流体デバイスを用いることによって、吐出回数(またはレーザ光の照射回数)により吐出量を制御することができ、ナノ〜ピコピペットとして微量サンプルを計量及び取り扱うことが可能である。 As apparent from FIG. 5, the signal level changes in proportion to the number of ejections. Therefore, by using the microfluidic device with a discharge mechanism of the present invention, the discharge amount can be controlled by the number of discharges (or the number of times of laser light irradiation), and a minute sample can be measured and handled as a nano-pico pipette. is there.
実施例5 吐出口サイズ毎の、レーザエネルギーと吐出率の関係
表面吐出口径/流路側吐出口径が31/13、35/22、44/30、及び54/36(ミクロン/ミクロン)の吐出口を有する、図2bに示す流路パターンのマイクロチップを用い、実施例3と同様にして、レーザ光照射によりマイクロチップからサンプルを吐出させた。吐出サンプルの量から射出率を算出した。
Example 5 Relationship between Laser Energy and Discharge Rate for Each Discharge Port Size Discharge ports with surface discharge port diameter / flow path side discharge port diameters of 31/13, 35/22, 44/30, and 54/36 (microns / micron) Using the microchip having the flow path pattern shown in FIG. 2b, a sample was discharged from the microchip by laser light irradiation in the same manner as in Example 3. The injection rate was calculated from the amount of the discharged sample.
ここで射出率とは、吐出回数/レーザ照射回数を示す。 Here, the injection rate indicates the number of ejections / the number of laser irradiations.
表面吐出口径/流路側吐出口径が35/22(ミクロン/ミクロン)の吐出口を有するマイクロチップを用いた場合の各パルスエネルギーでの射出率を、図6に示す。 FIG. 6 shows the injection rate at each pulse energy when a microchip having a discharge port with a surface discharge port diameter / flow path side discharge port diameter of 35/22 (micron / micron) is used.
図6から明らかなように、70マイクロジュール〜190マイクロジュールの範囲でほぼ100%の射出率を示し、射出率にばらつきはほとんどない。 As apparent from FIG. 6, the injection rate is almost 100% in the range of 70 to 190 microjoules, and there is almost no variation in the injection rate.
また、図6に示したデータは、吐出開始時の射出率であるが、一旦吐出が起こった後は50〜200マイクロジュールの範囲でほぼ100%の射出率を示した(データ示さず)。 The data shown in FIG. 6 is the injection rate at the start of discharge, but once discharge occurred, the injection rate was almost 100% in the range of 50 to 200 microjoules (data not shown).
また、表面吐出口径/流路側吐出口径31/13、44/30、及び54/36(ミクロン/ミクロン)の吐出口を有するマイクロチップを用いた場合も、上記と同様にほぼ100%の射出率を示した(データ示さず)。 In addition, when a microchip having discharge ports of surface discharge port diameter / flow channel side discharge port diameters of 31/13, 44/30, and 54/36 (micron / micron) is used, the injection rate is almost 100% as described above. (Data not shown).
実施例6 単一レーザ装置による複数の吐出機構の駆動
表面吐出口径/流路側吐出口径が35/22(ミクロン/ミクロン)の吐出口を有する図2aに示す流路パターンを1枚のマイクロチップ上に3本形成し、チップを移動させることにより、単一レーザ装置で3カ所の吐出機構を駆動した。移動機構の追加に伴う吐出条件の変化はなく、複数点の切り替え駆動が確認できた。
Example 6 The flow path pattern shown in FIG. 2a having a discharge surface with a drive surface discharge port diameter / flow channel side discharge port diameter of 35/22 (microns / micron) of a plurality of discharge mechanisms by a single laser device is formed on one microchip. The three ejection mechanisms were driven by a single laser device by moving the chip. There was no change in the discharge conditions due to the addition of the moving mechanism, and it was confirmed that multiple points were switched.
実施例7 射出液滴の速度制御
図7に示す条件にてマイクロ流体デバイスから液滴を射出し、CCDを用いて射出された液滴を撮影した。当該操作をレーザエネルギー70μJ及び170μJのレーザ照射にて行った。撮影した写真、及びレーザ照射からの遅延時間と各時点でのチップから液滴の距離との関係を図8に示す。
Example 7 Speed Control of Ejected Droplets Droplets were ejected from the microfluidic device under the conditions shown in FIG. 7, and the ejected droplets were photographed using a CCD. This operation was performed by laser irradiation with laser energy of 70 μJ and 170 μJ. FIG. 8 shows the photograph taken and the relationship between the delay time from laser irradiation and the distance from the chip to the droplet at each time point.
液滴速度は、レーザエネルギー70μJにおいて約3.2m/s、170μJにおいて約5.0m/sであった。このことから、レーザエネルギーを変化させることによって、吐出される液滴の速度を制御し得ることが分かる。 The droplet velocity was about 3.2 m / s at a laser energy of 70 μJ and about 5.0 m / s at 170 μJ. From this, it can be seen that the velocity of the ejected droplets can be controlled by changing the laser energy.
液滴速度が大きい方が液滴をより遠くまで直線的にとばすことができ、液滴速度を下げることによって、液滴内の分子が吐出時および着弾時に受ける力を低減し、こわれやすい分子に対応できる。従って、本発明の方法は、レーザエネルギーを調整することによって、液滴速度を用途に応じた速度に制御することができるという利点を有する。 The higher the droplet velocity, the more the droplet can be linearly moved farther, and by lowering the droplet velocity, the force that the molecules in the droplet receive during ejection and landing is reduced, making the molecule more susceptible to breakage. Yes. Therefore, the method of the present invention has the advantage that the droplet velocity can be controlled to a velocity depending on the application by adjusting the laser energy.
1 マイクロチップ
2 シールフィルム
3 電極穴
4 電極穴
5 マイクロ流路
6 吐出口
7 レーザ吸収体
8 集光レンズ
9 レーザ走査装置
10 レーザ発振器
11 レーザ光
12 サンプル回収容器
13 気泡
14 圧力
15 吐出サンプル
DESCRIPTION OF
Claims (8)
当該ポートと当該吸収体とが同一のマイクロ流路上に位置し、かつ当該ポートが当該吸収体の上流に位置する、
方法。 At least one microchannel, at least one port capable of discharging a substance to the outside of the microchannel, and at least one absorber on the inner surface of the microchannel, the microchip includes an upstream end to a downstream end of the microchannel. In the state where the liquid is flown and there is no laser irradiation, the liquid droplet does not fall from the port, the absorber absorbs the laser from the laser generator, and the liquid in the micro flow path is heated to generate bubbles, and the micro A method for discharging a small amount of sample, characterized in that a substance in a flow path is discharged from the port to the outside of the micro flow path,
The port and the absorber are located on the same microchannel, and the port is located upstream of the absorber;
Method.
前記マイクロチップが前記物質が移動する第1マイクロ流路と、薄膜を介して該第1マイクロ流路と隔てられた第2マイクロ流路と、該第1マイクロ流路外部へ物質を吐出し得るポートとを備えており、該第2マイクロ流路内壁には気泡を形成し得る気泡発生機構が設置されており、気泡発生により薄膜を介して、当該ポートより下流の位置で第1マイクロ流路内の物質を押し、当該ポートから第1マイクロ流路外に吐出し得る、吐出機構付マイクロ流体デバイス。 A microchip having at least one microchannel in which a substance moves from the upstream end to the downstream end, at least one port capable of discharging the substance to the outside of the microchannel, and at least one absorber on the inner surface of the microchannel ; A microfluidic device with a discharge mechanism comprising at least one laser generator and a means for moving a substance in the microchannel , wherein the liquid droplets do not fall from the port in the absence of laser irradiation, and the absorption A microfluidic device with an ejection mechanism, in which the body absorbs the laser from the laser generator and heats the liquid in the microchannel to generate bubbles and ejects the substance in the microchannel out of the microchannel And
The microchip can discharge the substance to the outside of the first microchannel, the second microchannel separated from the first microchannel through the thin film, the first microchannel through which the substance moves, and the first microchannel And a bubble generating mechanism capable of forming bubbles is installed on the inner wall of the second micro-channel, and the first micro-channel is located downstream of the port through the thin film due to the generation of bubbles. A microfluidic device with a discharge mechanism that can push a substance inside and discharge it from the port to the outside of the first microchannel.
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