JP3787578B2 - Liquid feeding method in micro channel of microchip - Google Patents
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Description
本発明はマイクロチップなどに形成された微細流路(チャネル)内に液体を微小流量で流す送液機器の送液方法に関する。 The present invention relates to a liquid feeding method for a liquid feeding device that allows a liquid to flow at a minute flow rate in a fine channel (channel) formed in a microchip or the like.
最近、マイクロスケール・トータル・アナリシス・システムズ(μTAS)又はラブ・オン・チップ(Lab-on-Chip)などの名称で知られるように、基板内に所定の形状の流路を構成するマイクロチャネル及びポートなどの微細構造を設け、該微細構造内で物質の化学反応、合成、精製、抽出、生成及び/又は分析など各種の操作を行うことが提案され、一部実用化されている。このような目的のために製作された、基板内にマイクロチャネル及びポートなどの微細構造を有する構造物は総称して「マイクロチップ」と呼ばれる。 Recently, as is known by the names such as Microscale Total Analysis Systems (μTAS) or Lab-on-Chip, a microchannel that forms a flow path of a predetermined shape in a substrate and Providing a fine structure such as a port and performing various operations such as chemical reaction, synthesis, purification, extraction, generation and / or analysis of substances within the fine structure has been proposed and partially put into practical use. A structure manufactured for such a purpose and having a fine structure such as a microchannel and a port in a substrate is generically called a “microchip”.
マイクロチップは遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニング及び環境モニタリングなどの幅広い用途に使用できる。常用サイズの同種の装置に比べて、マイクロチップは(1)サンプル及び試薬の使用量が著しく少ない、(2)分析時間が短い、(3)感度が高い、(4)現場に携帯し、その場で分析できる、及び(5)使い捨てできるなどの利点を有する。 Microchips can be used for a wide range of applications such as genetic analysis, clinical diagnosis, drug screening and environmental monitoring. Compared with the same type of equipment of the common size, the microchip is (1) significantly less sample and reagent usage, (2) shorter analysis time, (3) higher sensitivity, (4) carried on-site, It can be analyzed in the field and (5) can be disposable.
マイクロチップの材質や構造及び製造方法は例えば、特許文献1、特許文献2及び非特許文献1などに提案されている。従来のマイクロチップ100は、例えば、図6に示されるように、合成樹脂(例えば、ポリジメチルシロキサン又はアクリル樹脂)などの基板102に少なくとも1本のチャネル104が形成されており、このチャネル104の少なくとも一端には入出力ポートとなるべきウェル106が形成されており、基板102の下面側に透明又は不透明な素材(例えば、ガラス又は合成樹脂フィルム)からなる対面基板108が接着されている。この対面基板108の存在により、ウェル106及びチャネル104の底部が封止される。
The material, structure, and manufacturing method of the microchip are proposed in, for example, Patent Document 1, Patent Document 2, and Non-Patent Document 1. In the
入出力ポート用のウェル106の主な用途は試薬やサンプルの注入である。図7に示されるように、ウェル106にチューブ又はキャピラリ112を接続することによりチャネル104へ液体を送入する。チューブ又はキャピラリ112は専用フィッティング114により着脱可能に取付られる場合の他、ウェル106に対して接着剤などで固定する場合もある。チューブ又はキャピラリ112の他端は送液機器(図示されていない)に接続されている。
The main use of the
マイクロチップなどの幅が数十μmから数百μmのオーダーのチャネル(微細流路)に、0.1μL/分オーダーの微小流量を流す用途は、これまであまり類がない。そのため、そこで使われる送液機器としては、既存の単純なシリンジポンプや、液体クロマトグラフィー用に開発された高性能マイクロポンプシステムを援用する場合が多く見られる。 There are not many uses for flowing a micro flow rate of the order of 0.1 μL / min through a channel (micro flow path) having a width of several tens μm to several hundreds μm, such as a microchip. For this reason, there are many cases in which existing simple syringe pumps or high-performance micropump systems developed for liquid chromatography are used as liquid delivery devices used there.
シリンジポンプを用いる場合、そこに使うシリンジの内径を小さなものに選定することで、微小流量に対応させている。しかし、流量精度は低く、一定流量を流すだけの単機能で流体の圧力を制御するなどの機能は持たない。 In the case of using a syringe pump, a small flow rate is selected by selecting a small inner diameter of the syringe used there. However, the flow rate accuracy is low, and it does not have a function of controlling the pressure of the fluid with a single function that allows a constant flow rate to flow.
一方、液体クロマトグラフィー用の高性能マイクロポンプシステムは、微小流量領域でも高い流量精度を達成するように開発された高価な機器である。しかし、液体クロマトグラフィーでは長時間一定流量で流し続けることが目的である。そのため、高性能マイクロポンプシステムも、送液の開始時や停止時の流量の不安定さに対する考慮はなされていない。 On the other hand, a high performance micropump system for liquid chromatography is an expensive instrument developed to achieve high flow accuracy even in a micro flow region. However, the purpose of liquid chromatography is to keep flowing at a constant flow rate for a long time. For this reason, the high-performance micropump system does not take into consideration the instability of the flow rate at the start or stop of the liquid feeding.
また、試薬又はサンプルなどの液体をマイクロポンプなどの送液機器でマイクロチップのチャネルに送液するには、デッドボリュームや容積・体積変化などの様々な問題点も存在する。例えば、マイクロポンプ等の送液機器とマイクロチップ等のチャネルまでを接続する配管の容積は、実際に液体を流すチャネルの容積に対して極めて大きなものとなる。先ず、物理的に送液機器とマイクロチップという別々の或る大きさを有する物体間を繋ぐため、管路長が長くなり、例えば、チャネル断面を幅100μm、深さ30μmの矩形とし、数百mmといった長さになる。また、配管内断面もチャネルに比べると遙かに大きくならざるを得ない。その結果、配管容積を液体(例えば、試薬又はサンプル)で満たすまでに多くの時間を要する。例えば、管路長を100mm、管路断面をチャネル断面の10倍と仮定しても、0.1μL/分の流量では約30分必要である。この問題を解決するには、例えば、配管容積を満たすまでの流量を大きくし、チャネルに流れ始める時に所望の流量に切り替える手段が考えられる。しかし、切り替える時間的なタイミングを決めることが難しく、自動化も困難である。また、誤って大きな流量をチャネルに流すと、大きな圧力上昇を起こし、送液機器やチャネルそのものを破損する危険がある。 In addition, there are various problems such as dead volume and volume / volume change when liquid such as a reagent or sample is fed to a microchip channel by a liquid feeding device such as a micropump. For example, the volume of a pipe connecting a liquid delivery device such as a micropump to a channel such as a microchip is extremely large relative to the volume of a channel through which a liquid actually flows. First, in order to physically connect objects having different sizes such as a liquid delivery device and a microchip, the pipe length becomes long. For example, the channel cross section has a rectangular shape with a width of 100 μm and a depth of 30 μm. The length becomes mm. In addition, the cross-section in the pipe must be much larger than the channel. As a result, it takes a lot of time to fill the piping volume with a liquid (eg, reagent or sample). For example, assuming that the pipe length is 100 mm and the pipe cross section is 10 times the channel cross section, a flow rate of 0.1 μL / min requires about 30 minutes. In order to solve this problem, for example, a means for increasing the flow rate until the pipe volume is filled and switching to a desired flow rate when starting to flow into the channel can be considered. However, it is difficult to determine the timing for switching, and automation is also difficult. In addition, if a large flow rate is accidentally flowed through the channel, a large pressure increase occurs, and there is a risk of damaging the liquid delivery device or the channel itself.
また、配管やチャネルが全て液体で満たされている状態においても、送液に伴う液体の圧力変動によって、配管やチャネルの容積は変化する。更に、配管内壁や液体内に混在する僅かな気体の体積変化も発生する。これらの容積変化や体積変化は、微細なチャネルにとっては非常に大きなものとなる。従って、送液機器の送液を一度停止した後、再び開始すると、その吐出流量又は吸引流量はそのまま即チャネル内の流量とは一致せず、流体圧力が安定し、チャネル内の流量が送液機器の流量に一致するまでに長い応答遅れを生じる。その傾向はチャネルが一層微細になるほど、また、流量が一層小さくなるほど顕著である。 Even in a state where the pipes and channels are all filled with liquid, the volume of the pipes and channels changes due to the pressure fluctuation of the liquid accompanying the liquid feeding. Furthermore, a slight volume change of the gas mixed in the inner wall of the pipe or in the liquid also occurs. These volume changes and volume changes are very large for a fine channel. Therefore, once the liquid delivery of the liquid delivery device is stopped and then restarted, the discharge flow rate or suction flow rate does not immediately match the flow rate in the channel, the fluid pressure is stabilized, and the flow rate in the channel is There is a long response delay before it matches the flow rate of the device. This tendency becomes more prominent as the channel becomes finer and the flow rate becomes smaller.
前記のような問題は同様に、送液を停止する場合にも生じる。送液機器の送液を停止しても、チャネル内の流れは直ちに停止することはなく、送液機器内及び管路内、チャネル内の液体の圧力が解放されるまで、徐々に流量が小さくなり、或る遅れをもって流れは停止する。その結果、徐々にサンプルや試薬などを無駄に消費してしまうこととなる。 The problem as described above also occurs when the liquid feeding is stopped. The flow in the channel does not stop immediately even when the liquid delivery device is stopped, and the flow rate gradually decreases until the liquid pressure in the liquid delivery device, the pipeline, and the channel is released. The flow stops with a certain delay. As a result, samples and reagents are gradually wasted.
従って、本発明の目的は、送液開始時にチャネル内の送液が所望の流量となるまでの時間を短縮する送液方法を提供することである。
本発明の別の目的は、送液停止時にチャネル内の送液が停止するまでの時間を短縮する送液方法を提供することである。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a liquid feeding method that shortens the time until the liquid feeding in the channel reaches a desired flow rate at the start of the liquid feeding.
Another object of the present invention is to provide a liquid feeding method that shortens the time until the liquid feeding in the channel stops when the liquid feeding is stopped.
前記課題を解決するための手段として、請求項1に係る発明の特徴は、一方の表面に所定の形状の流体用微細流路が配設された少なくとも一枚の基板と、該流体用微細流路を封止する対面基板とからなるマイクロチップにおいて、前記微細流路に液体を送液する方法であって、送液開始時に送液機器から所定の圧力を印加して液体を送出し、設定圧力に達した後、所定の速度で一定の流量を送液することである。 As a means for solving the above-mentioned problems, the feature of the invention according to claim 1 is that at least one substrate having a predetermined fluid micro-channel disposed on one surface, and the fluid micro-fluid In a microchip consisting of a facing substrate that seals a path, a method of feeding a liquid to the fine channel, applying a predetermined pressure from a liquid feeding device at the start of feeding, and setting the liquid After reaching the pressure, a constant flow rate is sent at a predetermined speed.
前記課題を解決するための手段として、請求項2に係る発明の特徴は、一方の表面に所定の形状の流体用微細流路が配設された少なくとも一枚の基板と、該流体用微細流路を封止する対面基板とからなるマイクロチップにおいて、前記微細流路に液体を送液する方法であって、送液終了時に、所定の速度で一定の流量を送液しているときに送液圧力をゼロ又はその近傍値にまで低下させることである。 As a means for solving the above-mentioned problems, the feature of the invention according to claim 2 is that at least one substrate having a predetermined fluid micro-channel disposed on one surface, and the fluid micro-fluid In a microchip comprising a facing substrate that seals a path, a method for feeding a liquid into the fine channel, wherein the liquid is sent when a constant flow rate is being delivered at a predetermined speed at the end of the liquid feeding. The fluid pressure is reduced to zero or a value close to it.
前記課題を解決するための手段として、請求項3に係る発明の特徴は、一方の表面に所定の形状の流体用微細流路が配設された少なくとも一枚の基板と、該流体用微細流路を封止する対面基板とからなるマイクロチップにおいて、前記微細流路に液体を送液する方法であって、
送液開始時に送液機器から所定の圧力を印加して液体を送出し、設定圧力に達した後、所定の速度で一定の流量を送液し、
送液終了時に、所定の速度で一定の流量を送液しているときに送液圧力をゼロ又はその近傍値にまで低下させる、
ことである。
As a means for solving the above-mentioned problems, a feature of the invention according to
At the start of liquid delivery, a predetermined pressure is applied from the liquid delivery device to deliver the liquid, and after reaching the set pressure, a constant flow rate is delivered at a predetermined speed.
At the end of liquid feeding, when feeding a constant flow rate at a predetermined speed, the liquid feeding pressure is reduced to zero or a value near it.
That is.
前記課題を解決するための手段として、請求項4に係る発明の特徴は、前記請求項1〜3に記載の発明において、送液機器はプランジャーを備えたマイクロポンプ、シリンジを備えたシリンジポンプ又はピストンを備えたピストンポンプであることである。 As a means for solving the above-mentioned problems, the invention according to claim 4 is characterized in that, in the inventions according to claims 1 to 3, the liquid feeding device is a micropump provided with a plunger, and a syringe pump provided with a syringe. Or it is a piston pump provided with a piston.
本発明は従来のプランジャーを備えたマイクロポンプを使用しても、送液開始時に所定の圧力を印加し、設定圧力に達したら所定速度でプランジャーを駆動させることにより送液開始時に微細流路(チャネル)内の送液が所望の流量となるまでの時間を短縮することができ、また、送液停止時にプランジャーを後退させて送液圧力をゼロにすることにより送液停止時に微細流路(チャネル)内の送液が停止するまでの時間を短縮することができる。 In the present invention, even when a micropump having a conventional plunger is used, a predetermined pressure is applied at the start of liquid feeding, and when the set pressure is reached, the plunger is driven at a predetermined speed to start a fine flow at the start of liquid feeding. It is possible to reduce the time until the liquid flow in the channel (channel) reaches a desired flow rate, and when the liquid feed is stopped, the plunger is retracted to reduce the liquid feed pressure to zero. The time until the liquid feeding in the flow path (channel) stops can be shortened.
以下、図面を参照しながら本発明の送液方法の好ましい実施態様について具体的に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the liquid feeding method of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
図1は本発明の送液方法を実施するのに使用される微小流量用の送液機器の一例の部分概要斜視図であり、図2はその部分概要断面図である。本発明の送液方法を実施するのに使用される微小流量用の送液機器は例えば、プランジャー式のマイクロポンプ1である。プランジャー駆動部3は、例えばステッピングモータとスクリュー・ナット機構(図示されていない)によりプランジャー5の進退移動を行う。接液部7は流体を溜めるのに必要十分な容積を有し、その中をプランジャー駆動部3からシールされたプランジャ5の先端が進退する。接液部7の一部には第1のポート9が設けられており、この第1のポート9の先端には配管11が接続されている。この配管11を介して液体が送液される。送液時の圧力を検出するために、接液部7には圧力検出器13を接続することができる。図2において、接液部7には第2のポート15が配設されている。この第2のポート15は、接液部7内に流体を注入したり、不要な空気を抜いたりするために使用されるばかりか、実際に送液する場合には栓をしたり、圧力検出器13を接続したりするために使用される。
FIG. 1 is a partial schematic perspective view of an example of a liquid flow feeding device for minute flow rate used for carrying out the liquid feeding method of the present invention, and FIG. 2 is a partial schematic sectional view thereof. For example, a plunger-type micropump 1 is used as the microflow rate liquid-feeding device used to carry out the liquid-feeding method of the present invention. The
図3は本発明の送液方法が実施されるマイクロチップの一例の概要斜視図である。本発明の送液方法が実施される流路は微細であれば特に限定されない。例えば、液体クロマトグラフィーに用いられるフューズドシリカキャピラリ等でもよい。但し、本発明の送液方法は0.1μL/分オーダーの微小流量で特に効果があり、その用途としては図3に示されるようなマイクロチップ20内の微細流路(チャネル)22が特に適している。
FIG. 3 is a schematic perspective view of an example of a microchip in which the liquid feeding method of the present invention is implemented. The flow path in which the liquid feeding method of the present invention is implemented is not particularly limited as long as it is fine. For example, a fused silica capillary used for liquid chromatography may be used. However, the liquid feeding method of the present invention is particularly effective at a minute flow rate on the order of 0.1 μL / min, and as its application, a fine flow path (channel) 22 in the
図3において、マイクロチップ20はY字形のチャネル22を有する。サンプルホール24と試薬ホール26は配管11によりそれぞれ別々のマイクロポンプ1(図1又は図2参照)に接続し、マイクロポンプ1よりサンプルと試薬がマイクロチップ20内のチャネル22内に送液される。送液されたサンプルと試薬はY字形のチャネルの合流部付近で混合され、所望の化学反応を起こさせる。その様子は顕微鏡(図示されていない)などで観察することができる。このような形状のマイクロチップの場合、サンプルと試薬の混合割合を一定に保つために、それぞれの流量は正確に制御されたものでなければならない。符号28は廃液ホールを示す。
In FIG. 3, the
具体的には、チャネル22の断面が縦30μm、横100μmの長方形で、管路長が数十mm程度であり、サンプル及び試薬の流量がそれぞれ0.1μL/分である場合、この時のチャネル22内の流速は、混合前でサンプル及び試薬がそれぞれ約560μm/秒、混合後で約1.1μm/秒であり、この送液に必要な圧力は、サンプル及び試薬の粘度がそれぞれ1cp(センチポアズ、水とほぼ同等)の場合、それぞれ数KPa程度である。但し、マイクロポンプ1とマイクロチップ20を繋ぐ配管11は、マイクロチップ20内のチャネル22に比べて、管路断面が十分に大きく、その配管抵抗は無視しうるものとする。
Specifically, when the cross section of the
図1及び図2に示されるマイクロポンプ1を用いて、図3に示されるマイクロチップ20のチャネル22に液体を送液する場合、大きく流量送液と圧力送液に分けられる。流量送液とは、液体を目的の一定流量で送液するものであり、圧力送液とは、液体を目的の一定圧力値で送液するものである。
When the liquid is sent to the
図1及び図2に示されるマイクロポンプ1を用いて流量送液を行う場合、前もってプランジャ5の先端部を接液部7内のプランジャー駆動部3側の端面(吸引端)まで移動しておく。第1のポート9とマイクロチップ20の対象ホール24又は26を配管11で繋ぐ。第2のポート15により液体を接液部7内に注入した後、第2のポート15に栓をする。この状態でプランジャー5を一定速度で接液部7の先端(吐出端)方向で移動させる。プランジャー5の移動に伴い、接液部7内から押し出される液体は、配管11を介して目的のホール24又は26からチャネル22内に送液される。この時、例えば、0.1μL/分の流量を達成するためには、それに応じたプランジャー速度となるようにプランジャー駆動部を制御する。仮に、プランジャー5の外径がφ3mmとすると、約15μm/分の速度でプランジャー5が移動すれば、0.1μL/分の流量となる。
In the case of performing flow rate liquid feeding using the micropump 1 shown in FIGS. 1 and 2, the tip of the
圧力送液では、液体の圧力を検出し、その圧力が目的の圧力になるようにプランジャーの位置を制御する。そのためには圧力検出器が必要となり、図1及び図2の例では第2のポート15に接続している。図1及び図2に示されるマイクロポンプ1を用いて圧力送液を行う場合、図4に示すような制御ブロック図に基づくフィードバック制御を行う必要がある。予め目的の圧力値を制御回路30に入力しておく。制御回路30は目標値と圧力検出器13の圧力検出値32との差に応じ、その差が小さくなるような制御信号34を駆動回路36に送信する。駆動回路36は制御信号34に基づきマイクロポンプ1のプランジャー5(図2参照)を駆動する。マイクロポンプ1のプランジャー5が駆動された結果、液体の圧力変化が生じ、それに従ってまた制御回路30が動作する。この閉ループ動作を例えば、10ミリ秒(ms)といった時間間隔で繰り返し制御する。
In pressure feeding, the pressure of the liquid is detected, and the position of the plunger is controlled so that the pressure becomes a target pressure. For this purpose, a pressure detector is required, which is connected to the
圧力送液中は結果的に、どの程度の流量で送液されるかは不確定となる。吐出側に移動する場合も、逆に吸引側に移動する場合も有り得る。管路破損を考慮して、流量限界値を設定する場合もある。この圧力送液は流量送液に比べてあまり一般的ではない。単に送液と言えば、流量送液を示す。圧力送液は一部の高機能なマイクロポンプシステムで、流量送液の他に、「一定圧モード」などの名称で補助的な機能として具備されている程度である。 As a result, it is uncertain at what flow rate during pressure feeding. There may be a case of moving to the discharge side or a case of moving to the suction side. The flow rate limit value may be set in consideration of pipe breakage. This pressure delivery is less common than flow delivery. Speaking of liquid feeding simply indicates flow rate liquid feeding. Pressure liquid feeding is a part of a highly functional micro pump system, and is only provided as an auxiliary function under the name of “constant pressure mode” in addition to flow rate liquid feeding.
本発明の送液方法によれば、送液開始時に先ず圧力送液を行う。その場合の目標圧力は、所望の流量が定常的に流れている時の圧力か、その近傍の値に設定する。具体的には、前もって送液中の圧力を測定するか、経験値を用いることが好ましい。 According to the liquid feeding method of the present invention, pressure liquid feeding is first performed at the start of liquid feeding. In this case, the target pressure is set to a pressure when the desired flow rate is constantly flowing or a value in the vicinity thereof. Specifically, it is preferable to measure the pressure during liquid feeding in advance or use an empirical value.
圧力送液制御中は目標圧力に達しようと大きな流量が流れ(流量限界値が有る場合は、所望の流量より十分大きく設定する)、マイクロポンプ1とチャネル22間の配管11を満たし、管路容積の増大や混在気体体積の縮小を短時間で補っていく。液体が目的のチャネル22に流れ始めると、液体の圧力が大きく上昇する。そして、目標圧力に達した後は所望の流量による流量送液に切り替える。
During pressure liquid supply control, a large flow rate flows to reach the target pressure (if there is a flow rate limit value, the flow rate is set to be sufficiently larger than the desired flow rate), the pipe 11 between the micropump 1 and the
本発明の送液方法は、送液開始時より一定の流量で送液を開始する従来の方法に比べて遙かに短時間でチャネル内の流量を所望の流量とすることができる。また、圧力送液中の圧力制御(フィードバック制御)を適切に行うことにより、圧力のオーバーシュート(目標圧力を瞬間的に超えること)が防止され、過大な流量によるチャネルの破損を防ぐことにもなる。 The liquid feeding method of the present invention can make the flow rate in the channel a desired flow rate in a much shorter time than the conventional method in which liquid feeding is started at a constant flow rate from the start of liquid feeding. In addition, by appropriately performing pressure control (feedback control) during pressure feeding, pressure overshoot (instantaneously exceeding the target pressure) is prevented, and channel damage due to excessive flow rate is also prevented. Become.
本発明の送液方法によれば、チャネル内に或る流量で送液している状態から送液を停止する時、先ず目標圧力をゼロか又はその近傍の値に設定した圧力送液を行う。マイクロポンプ1は送液時に発生していた圧力をゼロにする動作を行う。例えば、吐出送液をしていた場合は正圧になっているため、マイクロポンプ1は吸引動作を行うことにより圧力を下げようとする。そして、圧力が目標圧力のゼロかその近傍の値に達したらマイクロポンプの送液を停止する。具体的には、マイクロポンプ1を逆回転させてプランジャー5を後退させることにより配管11内及びチャネル22内の圧力を極めて短時間でゼロに低下させることができる。これによりチャネル22内の液体の流れは即座に停止する。
According to the liquid feeding method of the present invention, when the liquid feeding is stopped from the state where the liquid is fed into the channel at a certain flow rate, first, the pressure liquid feeding is performed with the target pressure set to zero or a value in the vicinity thereof. . The micropump 1 performs an operation of reducing the pressure generated at the time of liquid feeding to zero. For example, since the pressure is positive when the liquid is discharged, the micropump 1 attempts to reduce the pressure by performing a suction operation. Then, when the pressure reaches zero or a value close to the target pressure, the liquid feeding of the micro pump is stopped. Specifically, the pressure in the pipe 11 and the
本発明の送液方法は、送液停止時に送液を停止させてもなかなか完全に送液を停止させることができない従来の方法に比べて、遙かに短時間でチャネル内の送液を完全に停止させることができる。その結果、サンプルや試薬などを無駄に消費しなくなるばかりか、分析の正確性も向上される。 The liquid feeding method of the present invention completely completes the liquid feeding in the channel in a much shorter time than the conventional method in which the liquid feeding cannot be completely stopped even if the liquid feeding is stopped when the liquid feeding is stopped. Can be stopped. As a result, not only samples and reagents are not wasted, but also the accuracy of analysis is improved.
(1)送液開始時の時間遅れの検証実験
図5に示されるようなY字形のチャネルを有するマイクロチップを用いて実験した。Y字形のチャネル22−1、22−2はそれぞれ幅が100μmで深さが25μmであり、合流チャネル22−3は幅が200μmで深さが20μmである。Y字形チャネル22−1及び22−2に2種類の異なる液体を流して合体であせる。その2液はチャネル内で呈する流れの特性が等しく、かつ、2液の界面が観察できるものを選択する。具体的には粘性が1cp(センチポアズ)で等しい赤インクと青インクを用い、その界面は色で判別した。
図5(A)は、赤インクと青インクのどちらの液も0.1μL/分で安定的に流れている状態を示す図である。2液の界面は合流後の合流チャネル22−3の中央にくっきりと形成される。これは合流チャネル22−3における液体の流れが層流を維持し、乱流とはなり難く、その結果、2液がなかなか混合されないためである。
仮に、2液の流量(又は流速)に差があると、例えば、図5(B)及び図5(C)に示すように、2液の界面は合流後の合流チャネル22−3内で一方に偏ることになる。また、2液の流量が不安定であれば、それに伴い界面もふらふらと移動するのが観察される。2液の送液開始から合流後の2液界面が安定するまでの時間を測定することで、送液開始時に所望の流量に達するまでの時間遅れが測定できることになる。
比較実験は次のように行った。
マイクロチップとマイクロポンプとの間を透明なテフロン(登録商標)製のチューブで接続し、前もって目視で確認しながら大きな流量(10μL/分)により、マイクロチップのポート直前までテフロン製チューブ内をそれぞれの液(赤インク、青インク)で満たす。その上で、それぞれの液を0.1μL/分の流量設定にて同時にマイクロポンプの送液を開始し、Y字形チャネルの合流部分の画像をビデオに記録する。十分な時間が経過した後に、記録したビデオ画像を再生して調べ、合流部分の2液の界面が恒常的に安定した時点を探し出し、送液開始からの時点までの時間を測定する。
蒸気の実験を従来の送液方法(最初から0.1μL/分の一定流量で送液を行う方法)と本発明による送液方法(最初に圧力設定5KPaで圧力送液を行った後、0.1μL/分の流量送液に切換える方法)とで行い、それぞれの時間遅れを測定した。その結果、従来の送液方法では1時間を超える時間遅れがあったのに対し、本発明による送液方法では10分前後で安定した送液が得られた。
(2)送液停止時の時間遅れの検証実験
前記の2液合流で0.1μL/分の一定流量で安定した流れが発生している状態から、マイクロポンプの送液を2液同時に停止させ、合流部分のビデオ画像を観察して流れが停止した時点を探し出し、送液停止時の時間遅れを測定した。
従来の方法(単にマイクロポンプを即時停止させる方法)と本発明による方法(最初に設定圧0KPaで圧力送液を行った後、マイクロポンプを停止させる方法)とを比較したところ、従来の方法では、10分を超える時間遅れがあったのに対し、本発明による方法では2分前後で流体の流れが停止した。
(1) Verification experiment of time delay at the start of liquid feeding An experiment was conducted using a microchip having a Y-shaped channel as shown in FIG. Each of the Y-shaped channels 22-1 and 22-2 has a width of 100 μm and a depth of 25 μm, and the merge channel 22-3 has a width of 200 μm and a depth of 20 μm. Two different liquids are flowed through the Y-shaped channels 22-1 and 22-2 to be combined. The two liquids are selected so that the flow characteristics exhibited in the channel are equal and the interface between the two liquids can be observed. Specifically, red ink and blue ink having a viscosity of 1 cp (centipoise) are used, and the interface between them is determined by color.
FIG. 5A is a diagram illustrating a state in which both the red ink and the blue ink are stably flowing at 0.1 μL / min. The interface between the two liquids is clearly formed at the center of the merge channel 22-3 after the merge. This is because the liquid flow in the confluence channel 22-3 maintains a laminar flow and does not easily become a turbulent flow. As a result, the two liquids are not easily mixed.
If there is a difference between the flow rates (or flow velocities) of the two liquids, for example, as shown in FIGS. 5 (B) and 5 (C), the interface between the two liquids is one in the merge channel 22-3 after the merge. Will be biased. In addition, if the flow rates of the two liquids are unstable, it is observed that the interface also moves with it. By measuring the time from the start of feeding of the two liquids until the interface between the two liquids after merging is stabilized, the time delay until the desired flow rate is reached at the start of the liquid feeding can be measured.
The comparative experiment was performed as follows.
Connect the microchip and the micropump with a transparent Teflon (registered trademark) tube, and check the inside of the Teflon tube until just before the microchip port with a large flow rate (10 μL / min) while visually confirming in advance. Fill with liquid (red ink, blue ink). Then, liquid feeding of the micropumps is simultaneously started at a flow rate setting of 0.1 μL / min for each liquid, and an image of the merged portion of the Y-shaped channel is recorded on a video. After a sufficient time has elapsed, the recorded video image is replayed and examined to find a time when the interface between the two liquids in the merging portion is constantly stabilized, and the time from the start of liquid feeding to the time is measured.
Steam experiments were conducted using a conventional liquid feeding method (a method of feeding a liquid at a constant flow rate of 0.1 μL / min from the beginning) and a liquid feeding method according to the present invention (after first performing a pressure liquid feeding at a pressure setting of 5 KPa, The method of switching to a flow rate of 1 μL / min) was performed, and each time delay was measured. As a result, in the conventional liquid feeding method, there was a time delay exceeding 1 hour, whereas in the liquid feeding method according to the present invention, stable liquid feeding was obtained in about 10 minutes.
(2) Verification experiment of time delay at the time of liquid supply stop From the state where a stable flow is generated at a constant flow rate of 0.1 μL / min in the above-mentioned two liquid merge, the liquid feed of the micro pump is stopped simultaneously. By observing the video image of the merging portion, the time point when the flow stopped was searched, and the time delay when the liquid feeding was stopped was measured.
A comparison between a conventional method (a method for simply stopping the micropump immediately) and a method according to the present invention (a method for stopping the micropump after first performing pressure feeding at a set pressure of 0 KPa) Whereas there was a time delay exceeding 10 minutes, in the method according to the present invention, the fluid flow stopped in about 2 minutes.
本発明の送液方法は微細流路(チャネル)内に液体を送液しなければならない用途であれば、前記のマイクロチップに限らず、全ての用途に対して適用可能である。例えば、キャピラリ液体クロマトグラフ、キャピラリ電気泳動、医用・診断試薬測定機器での送液、分析機器での試薬・血清などの送液・分注などにも使用できる。また、送液機器としては、前記のプランジャー式のマイクロポンプに限らず、シリンジ式のシリンジポンプ又はピストン式のピストンポンプを使用することもできる。 The liquid feeding method of the present invention is applicable not only to the above-mentioned microchip but also to all uses as long as the liquid must be fed into a fine channel (channel). For example, it can also be used for capillary liquid chromatograph, capillary electrophoresis, liquid feeding with medical / diagnostic reagent measuring equipment, and liquid feeding / dispensing of reagents / serum etc. with analytical equipment. Moreover, as a liquid feeding apparatus, not only the said plunger type micro pump but a syringe type syringe pump or a piston type piston pump can also be used.
1 マイクロポンプ
3 プランジャー駆動部
5 プランジャー
7 接液部
9 第1のポート
11 配管
13 圧力検出器
15 第2のポート
20 マイクロチップ
22 微細流路(チャネル)
24 サンプルホール
26 試薬ホール
30 制御回路
32 圧力検出信号
34 制御信号
36 駆動回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
24 Sample hole 26 Reagent hole 30
Claims (4)
送液開始時に送液機器から所定の圧力を印加して液体を送出し、設定圧力に達した後、所定の速度で一定の流量を送液し、
送液終了時に、所定の速度で一定の流量を送液しているときに送液圧力をゼロ又はその近傍値にまで低下させる、
ことを特徴とするマイクロチップの微細流路における液体送液方法。 In a microchip comprising at least one substrate having a predetermined fluid micro-channel on one surface and a facing substrate that seals the fluid micro-channel, a liquid is provided in the micro-channel. A method of delivering a liquid,
At the start of liquid delivery, a predetermined pressure is applied from the liquid delivery device to deliver the liquid, and after reaching the set pressure, a constant flow rate is delivered at a predetermined speed.
At the end of liquid feeding, when feeding a constant flow rate at a predetermined speed, the liquid feeding pressure is reduced to zero or a value near it.
A liquid feeding method in a fine flow path of a microchip.
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