(57)【要約】【課題】微少量の液体を正確に搬送することが出来るマイクロポンプを備えたマイクロ化学チップを提供する。【解決手段】少なくとも１個以上の流路とマイクロポンプ２と試料注入部３と反応部４が形成されたマイクロ化学チップを、前記流路が前記マイクロポンプ２の内部に形成され、前記マイクロポンプ２が、第１、第２の屈曲型導電性高分子アクチュエータの両端部を接合することにより、中央部が開閉する構造とした開閉型アクチュエータを用いており、前記試料注入部３と前記反応部４が導電性高分子膜を用いて形成され、かつ前記試料注入部３と前記反応部４が前記マイクロポンプ２によりつながれた構成とする。【選択図】図１
2010175360.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１個以上の流路とマイクロポンプと試料注入部と反応部が形成されたマイ  クロ化学チップにおいて、
前記流路が前記マイクロポンプ内部に形成されており、
前記マイクロポンプが、第１、第２の屈曲型導電性高分子アクチュエータの両端部を  接合することにより、中央部が開閉する構造とした開閉型アクチュエータを用いており  、
前記試料注入部と前記反応部が導電性高分子膜を用いて形成され、
かつ前記試料注入部と前記反応部が前記マイクロポンプによりつながれた構成である  
ことを特徴とするマイクロ化学チップ。
【請求項２】
前記マイクロポンプを構成する前記第１、第２の屈曲型の導電性高分子アクチュエータが、電極膜、固体電解質膜、酸化還元反応により膨張収縮する導電性高分子膜、支持体膜を順に積層した構成であり、
前記開閉型のアクチュエータが、前記第１、第２の屈曲型の導電性高分子アクチュエ  ータの支持体膜を内側に対向しており、
前記電極膜が、前記開閉型アクチュエータの接合した両端に対して略垂直方向に短冊  状に分割されていることを特徴とするマイクロ化学チップ。
【請求項３】
前記マイクロポンプが、
前記短冊状に分割した電極膜に順次電圧を印加することにより、前記開閉型アクチュ  エータを蠕動運動させ、その際に生じる第１、第２の屈曲型の導電性高分子アクチュエ  ータの支持体膜の間の空隙を前記流路として直接流体を流通させることを特徴とするマ  イクロ化学チップ。
【請求項４】
前記試料注入部と前記反応部が、第１、第２の屈曲型導電性高分子アクチュエータの  両端部を接合することにより、中央部が開閉する構造とした開閉型アクチュエータを用  いていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ化学チップ。
【請求項５】
前記導電性高分子膜が、ポリアニリン、ポリピロール、又はポリチオフェン基体のπ  共役高分子、又はその誘導体である有機導電性高分子であることを特徴とする請求項１  に記載のマイクロ化学チップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，液体を正確に微小量で搬送するためのマイクロポンプを用いたマイクロ化学チップに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年，通常は実験室で行う様々な化学実験や分析を、数センチ角サイズのマイクロ化学チップ上で行う方法が注目されている。この方法は、マイクロＴＡＳ（Total Analysis System）と呼ばれる。マイクロＴＡＳは、試料の節約、分析の高速化、前処理を含めた測定の自動化、装置のポータブル化や低コスト化が可能となることから、リアルタイム診断や患者のベットサイドモニタ等の医療分野、ＤＮＡ解析などのバイオ分野、希少材料を微少量で化学合成するなどといった工業化学分野などでの応用が期待されている。
【０００３】
マイクロＴＡＳに用いるマイクロ化学チップには、ガラスやシリコン基板の表面に微細な流路が形成され、さらにその途中又は終端部には処理部が形成されている。試料及び試薬である液体は微細な流路を通じて流通され、処理部で試料中の成分の混合、分離、反応、検出などの化学プロセスが行われる。なお、上記流路などの形成には、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術が用いられる。
【０００４】
今後、マイクロＴＡＳを用いた高度な化学反応・分析システムを構築するためには、上記マイクロ化学チップ内に形成した微細な流路を通じて、試料及び試薬である微量な液体を正確に処理部へと流通させることが不可欠である。
【０００５】
液体を流通させる方法として、流路内の液体に泳動電圧を印加することにより生じる電気浸透流を利用して、流路中の液体を流通させる方法が知られている（特許文献１）。しかしながらこの方法を用いると、流路内の液体に電極を介して電圧をかけるため、電極表面で測定試料や試薬の電気分解が生じて、試料組成や試薬組成が変化してしまうことがある。
【０００６】
測定試料や試薬にダメージを与えずに液体を流通させる方法として、マイクロ化学チップの外部に送液ポンプまたは吸引ポンプを用いる方法がある。しかしこの方法では、外部にポンプを設けるため、制御の応答性、連続的な変化、耐久性、医療現場において必要な静粛性などの点で問題がある。さらに装置全体が大きくなることや、マイクロ化学チップとの接続部での液漏れの恐れもある。そのためマイクロ化学チップ内に高性能なマイクロポンプを形成し、試料及び試薬である微量な液体を正確に処理部へと流通させる手段が検討されている。
【０００７】
マイクロ化学チップ内に形成されるマイクロポンプとして、ＭＥＭＳ技術を用いたダイアフラム型ポンプがある。ダイアフラム型ポンプとは、流路または流路につながる空間に形成したダイアフラムの容積を変化させることにより発生した圧力で液体を流通させるもので、容積を大きくすることにより流路の入り口から液体を導入し、容積を小さくすることで流路の出口から液体を吐出するものである（特許文献２）。しかしながら、この方法においては、十分な圧力を発生させるために、シリコンやガラスなど硬い無機材料で形成されたダイアフラム上に圧電ディスクを接着してダイアフラムを変形させるため、高電圧の印加が必要となる。また、ダイアフラム型ポンプを用いた方法では、流路に残留した気泡が存在すると圧力損失が生じるため性能が低下する。気泡の残留をなくすために流路の形状を工夫する検討がなされているが、構造や作製プロセスが複雑になるといった課題がある。
【０００８】
簡単な構造で、微細な流路内の液体を流通させる方法として、ポリマー材料を用いた方法がある。特許文献３には、流路上部に温度変化により体積が変化するポリマー組成物を形成し、レーザー照射などによりポリマー組成物の温度を変化させることにより、流路内の液体を流通させる方法が提案されている。この方法では、レーザー照射による温度上昇で流路上部に形成したポリマー組成物の体積が増加すると流路が閉状態となり、温度を低下させると流路が開状態となる。そして、レーザー照射部を液体の流通方向に移動させることにより、上記開閉部が流通方向に移動し、順次開状態から閉状態に切り替わることにより、流路内を液体が流通する。この方法は、簡単なマイクロ化学チップの構造で液体の流通を可能にするものであり、かつ安価で加工しやすいポリマー組成物を用いているため、作製が容易であり、低コスト化およびディスポーザブル化も可能とするものである。しかしながら、微細な流路内に開閉部を形成するためには、ポリマー組成物の微少な領域のみを温度上昇させる必要があり、そのためにはレーザーを用いなくてはならず、測定装置全体が高価で、サイズも大きなものになるといった課題がある。
【０００９】
一方、ポリマー組成物を用いて微細な流路内の液体を流通する手段として、ポリマーアクチュエータを用いる方法が考えられる。ポリマーアクチュエータには、ゲルを電界によって屈曲させるもの（特許文献４）、誘電性エラストマー薄膜間に強電界を印加してこれを変形させるもの（非特許文献１）、酸化還元反応によって導電性高分子を伸縮させるもの（特許文献５）等がある。ゲルを電界によって屈曲させる方式のアクチュエータは、発生応力が小さく、電界を印加し続けないと屈曲性が保てないので消費電力が多くなるというという課題を有する。また、誘電性エラストマー薄膜を用いるものは、数百〜数キロボルトの高電圧が変形に必要であり、マイクロＴＡＳに利用する場合には電圧が高過ぎるために感電などの危険性が課題となる。一方、導電性高分子の酸化還元に伴う伸縮を利用した導電性高分子アクチュエータは比較的単純な構造を持ち、数ボルトの低電圧で駆動が可能であり、発生応力も十分強いという特徴を有している。
【００１０】
特許文献５には、酸化還元反応によって導電性高分子を伸縮させるアクチュエータをマイクロポンプに応用する方法が開示されている。このアクチュエータは、カチオンの出入りにより伸縮するカチオン駆動層とアニオンの出入りにより伸縮するアニオン駆動層を積層して構成されるバイモルフ層を有する導電性高分子アクチュエータを複数個用いて構成され、カチオン駆動層を内側にして互いに対向させるように第１、第２の導電性高分子アクチュエータを配置し、さらにそれぞれの先端部を結合して構成されている。それぞれのアクチュエータは、電気化学的酸化によって、内側に設置した第１、第２のカチオン駆動層が収縮し、外側に設置した第１、第２のアニオン駆動層が膨潤することにより開口部が開く動作を行う。逆に、電気的還元によって、内側に設置した第１、第２のカチオン駆動層が膨潤し、外側に設置した第１、第２のアニオン駆動層が収縮することにより開口部が閉じる動作となる。これらの動作により、電印加による導電性高分子へのカチオンおよびアニオンの出入りにより、開口部の開閉を行う開閉運動アクチュエータとしている。そして、この開閉運動アクチュエータを複数個連続して配置し、さらにそれらの開口内部に伸縮自在の１本のチューブを配置し、それぞれのアクチュエータに任意の位相差をもった電圧を印加することより蠕動運動を行わせてチューブ内部に導入した液体を流通させることが出来るマイクロポンプとなる。
【特許文献１】特開平８−２６１９８６号公報
【特許文献２】国際公開第０１／０６６９４７号パンフレット
【特許文献３】特許第３７９８０１１号公報
【特許文献４】特開平１１−２０６１６２号公報
【特許文献５】特開２００８−２３６９５０号公報
【非特許文献１】Ｒ．Ｐｅｌｒｉｎｅ，Ｒ．Ｋｏｒｎｂｌｕｈ，Ｑ．Ｐｅｉ  ａｎｄ  Ｊ．Ｊｏｓｅｐｈ：Ｓｃｉｅｎｃｅ，２８７，８３６−８３９（２０００）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記アクチュエータは、導電性高分子の伸縮を行うために，外部からカチオンおよびアニオンの出入りをさせなくてはならないため、アクチュエータの周辺にはカチオンやアニオンを供給するための駆動電解質液と電極が必要である。マイクロＴＡＳ用マイクロポンプへの応用を考えると、マイクロ化学チップ内の微細な流路の周辺に駆動電解質液を存在させなくてはならないため試料及び試薬である微量な液体と混合させないための工夫が必要となり（例えば、駆動電解質液用の液室を新たに形成するなど）、電極の形成位置を考慮すると、マイクロ化学チップの構造が非常に複雑になってしまう。
【００１２】
アクチュエータ開口部の内側に形成したカチオン駆動層には内側からカチオンの出入りが必要である。マイクロポンプとして、アクチュエータの開口内部に伸縮自在の１本のチューブを配置して蠕動運動させる場合には、液体の流れるチューブとアクチュエータを構成する導電性高分子によるカチオン駆動層の内側面の間にカチオンを出入りさせるための駆動電解質液層が存在することになる。つまり、アクチュエータの開閉運動によりチューブ（流路に相当）を伸縮させる際に、アクチュエータを構成する導電性高分子によるカチオン駆動層とチューブの間に存在する駆動電解質液層により圧力損失が生じることになり、微量な液体を正確に流通させることが困難となる。
【００１３】
アクチュエータ開口部の内側に形成した導電性高分子によるカチオン駆動層とチューブとの間に存在する駆動電解質液層は液体であるため、アクチュエータが開閉運動をした際に、チューブとの間に存在する駆動電解質液層の厚みが変化してしまう。すると、駆動電解質液層から導電性高分子によるカチオン駆動層へのカチオンの供給量も変化してしまう。その結果、アクチュエータの伸縮量（すなわち開閉量）が印加電圧で制御できなくなり、チューブを押す量（圧力）がばらついてしまう。この問題は、上記マイクロポンプをマイクロＴＡＳといった非常に微量な液体を正確に流通させることが必要な用途へ応用する際に、より顕著な課題となる。さらに、前記アクチュエータは、アクチュエータ内部に前記チューブのようなアクチュエータとは別部材で作製された流路を組み込んでいる。この構成を、ＭＥＭＳ技術を用いた微細なデバイスであるマイクロ化学チップに応用するためには、内部に直径数十ミクロン程度の細孔をあけた非常に細いチューブの作製と、前記チューブをアクチュエータ内部に組み込む必要があるが、いずれの技術も非常に難しい。
【００１４】
本発明は、導電性高分子の酸化還元に伴う伸縮を利用した導電性高分子アクチュエータを用いて、液体を正確に微小量で搬送するためのマイクロポンプを用いたマイクロ化学チップを実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明は、基板上に、少なくとも１個以上の流路と反応部とマイクロポンプと試料注入部が形成されたマイクロ化学チップにおいて、前記流路が前記マイクロポンプ内部に形成されており、前記マイクロポンプが、第１、第２の屈曲型導電性高分子アクチュエータの両端部を接合することにより、中央部が開閉する構造とした開閉型アクチュエータを用いており、前記試料注入部と前記反応部が導電性高分子膜を用いて形成され、かつ前記試料注入部と前記反応部が前記マイクロポンプによりつながれた構成であることを特徴とする。
【００１６】
このように、マイクロ化学チップの試料注入部と反応部を、マイクロポンプを構成する導電性アクチュエータと同じ材料で形成してマイクロポンプとー体とした構成とすることにより、マイクロポンプ内に形成した流路への試料注入部からの流体の導入や反応部への導出が容易となる。
【００１７】
また、前記マイクロポンプの構成として、前記第１、第２の屈曲型の導電性高分子アクチュエータが、電極膜、固体電解質膜、酸化還元反応により膨張収縮する導電性高分子膜、支持体膜を順に積層した構成であり、前記開閉型のアクチュエータが、前記第１、第２の屈曲型の導電性高分子アクチュエータの支持体膜を内側に対向しており、前記電極膜が、前記開閉型アクチュエータの接合した両端に対して略垂直方向に短冊状に分割されていることを特徴とする。
【００１８】
前記マイクロポンプは、前記短冊状に分割した電極膜に順次電圧を印加することにより、前記開閉型アクチュエータを蠕動運動させ、その際に生じる第１、第２の屈曲型の導電性高分子アクチュエータの支持体膜の間の空隙を前記流路として直接流体を流通させることを特徴とする。
【００１９】
このように、導電性高分子の伸縮を行うために必要なカチオンおよびアニオンを、導電性高分子膜上に形成した固体電解質膜から供給するため、試料及び試薬である微量な液体と混合させないための工夫は必要なく、構造も簡単となる。また流路が直接マイクロポンプ内に形成された構造であるため、圧力損失や、印加電圧により流路内に発生させる圧力のばらつきも小さくすることが出来、微量な液体を正確に流通させることが可能となる。さらに、アクチュエータ内部に非常に細いチューブを組み込むプロセスの必要なく、作製プロセスが容易になる。
【００２０】
また、前記試料注入部と前記反応部が、第１、第２の屈曲型導電性高分子アクチュエータの両端部を接合することにより、中央部が開閉する構造とした開閉型アクチュエータを用いていることを特徴とする。
【００２１】
このように、前記試料注入部と前記反応部を前記屈曲型導電性高分子アクチュエータと同じ構成とすることにより、電圧を印加することにより、マイクロポンプの動きに合わせて変形させること可能となり、従来のように前記試料注入部や前記反応部を固定部として用いる場合に生じる、マイクロポンプなどの駆動部との接続部近傍での液漏れなどが生じず、高い信頼性を有する。
【００２２】
また、前記導電性高分子膜が、ポリアニリン、ポリピロール、又はポリチオフェン基体のπ共役高分子、又はその誘導体である有機導電性高分子であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、上述したように、導電性高分子アクチュエータを用いたマイクロポンプ内に直接流路を形成したマイクロポンプを用いているため、液体を正確に微小量で搬送することが出来る。また、試料注入部と反応部を前記マイクロポンプでつないでー体とした構成とすることにより、高性能なマイクロ化学チップが実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（第１の実施形態）
以下、本発明によるマイクロ化学チップの第１の実施形態について詳細に説明する。
【００２５】
図1は、本実施形態で用いるマイクロ化学チップの上面図である。図２は、図1のマイクロ化学チップにおけるＸ１方向、Ｘ２方向、Ｙ２方向の断面図である。図３は、図1のマイクロ化学チップのＹ１方向の断面図である。
【００２６】
図1に示したように、マイクロ化学チップ１は、マイクロポンプ２、試料注入部３、反応部４から構成されている。試料注入部３は試料注入口５を、反応部４は排出口６を有している。マイクロポンプ２は、４個の開閉型アクチュエータ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを接続させた状態で構成されている。マイクロ化学チップ１は、試料注入口５より試料注入口部３に試料液を導入し、開閉型アクチュエータ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを順番に駆動させることにより、蠕動運動により試料液を試料注入部３から反応部４に搬送する。
【００２７】
図２（ａ）は図１におけるＸ１方向の断面図すなわちマイクロポンプ２の断面図である。図２（ｂ）は、マイクロポンプ２の動作時のＸ１方向の断面図である。
【００２８】
マイクロポンプ２は、図（ａ）に示したように、電極膜２１、固体電解質膜３１、導電性高分子膜４１、支持体膜５１の積層構造からなる屈曲型の導電性高分子アクチュエータ１１と、電極膜２２、固体電解質膜３２、導電性高分子膜４２、支持体膜５２の積層構造からなる屈曲型の導電性高分子アクチュエータ１２を、それぞれの支持体膜５１、５２を内側にして、両端部を接着剤７０で接合した構成の開閉型アクチュエータ１３の構造を有する。ここで、支持体膜５１、５２には導電性高分子膜４１，４２より硬い材料を用いている。そして、電極膜２１と導電性高分子膜４１および電極膜２２と導電性高分子膜４２の間に電圧を印加（例えば−１．５Ｖ）することにより、導電性高分子膜４１、４２を伸張する作用により、屈曲型アクチュエータ１１ａ、１２ａを上下に屈曲させ、その結果として、図２（ｂ）に示したように開閉型アクチュエータ１３ａ   の中央部を開かせ、流路１００を形成することができる。なお、開状態の開閉型アクチュエータ１３は、開状態にするために印加した電圧と逆位相の電圧（＋１．５Ｖ）を印加することにより、図２（ａ）の閉状態に戻すことが出来る。
【００２９】
図２（ｃ）は、図１におけるＸ２方向の断面図すなわち試料注入部３の中央付近の断面図である。試料注入部３は、中央部の導電性高分子膜４１と固体電解質膜３１が除去された構造である。ここには示していないが、反応部４も同様の構造をしている。
【００３０】
図３（ａ）は、図1のマイクロ化学チップのＹ１方向の断面図である。試料注入部３および反応部４は、Ｙ１方向にも中央部の導電性高分子膜４１と固体電解質膜３１が除去された構造である。試料注入部３のこの部分に試料液を導入し保持することができる。また反応部４では、試料液を保持し、必要な化学反応を起こさせることが出来る。
【００３１】
図３（ｂ）は、マイクロポンプ２の動作時のＹ１方向の断面図である。開閉型アクチュエータ１３ａ，１３ｂに電圧を印加した場合を示している。開閉型アクチュエータ１３ａ，１３ｂに電圧を印加して、図２（ｂ）に示したように中央部を開かせることにより、試料注入部３より、反応部４に向けて、流路１００を形成することが出来る。
【００３２】
電極膜２１、２２としては、導電性高分子膜のポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）とポリスチレンスルホン酸(ＰＳＳ)の混合体が用いられる。膜厚はいずれも０．５μｍで、キャスト法により作製される。
【００３３】
電極膜２１、２２は、導電性高分子に限られるものではなく、炭素および金、白金、ニッケル、チタンなどの金属または合金でもよい。
【００３４】
固体電解質膜３１、３２は、有機ポリマーとイオン液体としての混合物を用いる。膜厚はいずれも０．５μｍである。有機ポリマーには、ポリフッ化ビニリデン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体［Ｐ（ＶＤＦ／ＨＦＰ）］の有機ポリマーを用いた。イオン液体には、カチオンとして、エチルメチルイミダゾリウム（ＥＭＩ）、アニオンとして、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド［（ＣＦ3ＳＯ2）2Ｎ-］（ＴＦＳＩ）を用いた。混合比は、重量比で２：８である。
【００３５】
有機ポリマーは、ポリフッ化ビニリデン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体［Ｐ（ＶＤＦ／ＨＦＰ）］に限るものではなく、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、パーフルオロスルホン酸（Ｎａｆｉｏｎ，ナフィオン）、２−ヒドロキシエチルメタクリレート（ＨＥＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）の少なくとも一種以上を含む有機ポリマーであれば良い。
【００３６】
イオン液体材料は、エチルメチルイミダゾリウム（ＥＭＩ）やビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド［（ＣＦ3ＳＯ2）2Ｎ-］（ＴＦＳＩ）に限るものではなく、揮発性が低く、かつ導電性高分子膜への出入り可能なものであれば良い。
【００３７】
導電性高分子膜４１、４２には、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）とポリスチレンスルホン酸(ＰＳＳ)の混合体に、ポリエチレングリコール（分子量２００万）を０．５重量パーセント添加したものを用いる。作製にはキャスト法を用いる。膜厚はいずれも１０μｍである。ポリエチレンングリコールを添加することにより、導電性高分子膜の膜強度および固体電解質膜との密着性向上させることが出来る。
【００３８】
ポリエチレングリコールの添加量や分子量はこれに限るものではない。添加量は０．０５重量パーセントから１０重量パーセントであれば良い。また、分子量も５０００から５００万の範囲であればよい。
【００３９】
導電性高分子膜材料は、前記材料に限るものではなく、ポリアニリン、ポリピロール、又はポリチオフェン基体のπ共役高分子、又はその誘導体である有機導電性高分子であれば良い。また作製もキャスト法に限らず、電界重合法などを用いても良い。
【００４０】
支持体膜５１、５２としては、金膜を用いる。膜厚は０．５μｍで、スパッタ法を用いて作製する。
【００４１】
支持体膜５１、５２は金に限られるものではなく、白金などの貴金属膜または合金膜、酸化シリコン、酸化チタンなどの金属酸化物膜、または前記屈曲型導電性高分子アクチュエータを構成する導電性高分子膜より大きなヤング率を有する高分子膜であればよい。
【００４２】
接着剤には、エポキシ系樹脂を用いる。なお、接着剤はエポキシ系材料に限られるものではなく、マイクロ化学チップで用いる試料や試薬で接着剤成分が溶出しないものであれば良い。
【００４３】
導電性高分子の酸化還元反応を利用した屈曲型の導電性高分子アクチュエータ１１，１２は、メモリー機能を有するため、電圧印加をやめても、図２（ｂ）に示した流路１００は開いたままで、その大きさも変わらない。そして、流路１００は逆位相（この場合は＋１．５Ｖ）を印加すると流路１００は閉じて、図２（ａ）に示した状態となる。このように、本発明のマイクロポンプは、流路の開閉機能、すなわちバルブの機能も有しており、マイクロバルブとしても有用である。
【００４４】
図４に、本発明のマイクロ化学チップにおける電気接続の概略図を示す。なお、マイクロ化学チップ１は図１に示した構成であるが、図４ではその詳細な構成は省略している。
【００４５】
マイクロ化学チップ１を構成するマイクロポンプ２の動作は制御装置により制御される。
【００４６】
マイクロ化学チップ１の電気接続は、接続電極６０、６１、６２、６３、６４、６５、６６が形成された基板１０にマイクロ化学チップ１の一部を接着剤で固定して行っている。なお、接続電極には金を用いている。
【００４７】
接続電極６０は図２（ａ）および図３（ａ）で示したマイクロポンプ２において、導電性高分子膜４１，４２と接続している。接続電極６０は共通電極のアースである。また、接続電極６１、６２、６３、６４は開閉型アクチュエータ１３ａ，１３ｂ、１３ｃ、１３ｄのそれぞれの電極膜２１ａと２２ａ、２１ｂと２２ｂ、２１ｃと２２ｃ、２１ｄと２２ｄと接続し、個別に電圧を制御する。なお、マイクポンプ２と接続電極６０、６１、６２、６３、６４、との電気的な接続は、直径５０μｍの金線を用いて、前記金線を導電性ペーストでマイクロポンプ２の導電性高分子膜４１、４２、電極膜２１、２２および接続電極６０、６１、６２、６３、６４に固定することで行っている。
【００４８】
反応部４で行われる化学反応は、反応部４に測定用電極を形成して、接続電極６５，６６と接続して評価装置８１で電気的に評価される。接続方法は、上述したマイクロポンプ２の接続方法と同じである。なお反応部４での化学反応の評価は、電気的な評価に限るものではなく光学評価装置などを用いても良い。
【００４９】
なお、接続電極６０、６１、６２、６３、６４、６５、６６は金に限るものではなく、アルミニウムなどの他の金属材料や酸化物材料など導電性を有するものであれば何でもよい。
【００５０】
次に、本発明のマイクロ化学チップ１に用いるマイクロポンプ２の蠕動運動の動作について説明する。
【００５１】
図５は、本発明のマイクロ化学チップ１に用いるマイクロポンプ２の基本動作の概略図である。図１に示したマイクロポンプ２のＹ１方向の断面図に相当する。図５において、マイクロポンプ２を流れる液体は、図中左から右に流れていく。図６は、図５の基本動作を発生させる電圧波形図である。
【００５２】
以下に図５および図６を参照しながら、本発明のマイクロ化学チップ１に用いるマイクロポンプ２の基本動作である蠕動運動を説明する。なお、導電性高分子膜４１、４２は、アースに接続している。駆動周波数は０．５Ｈｚである。
【００５３】
図５（ａ）および図６（ａ）は初期状態である。まず始めに電極膜２１ａおよび電極膜２２ａに、制御装置８０より所定の電圧（−１．５Ｖ）を印加することにより、開閉型アクチュエータ１３ａの電極膜２１ａと電極膜２２ａの間の部分の流路１００ａを開く（図５（ｂ）および図６（ｂ））。これにより流路１００ａに流体１１０が進入する。
【００５４】
次に、電極膜２１ａと電極膜２２ａの間の電圧印加をやめるとともに、電極膜２１ｂおよび電極膜２２ｂに電圧（-１．５Ｖ）を印加し（図６（ｃ））、開閉型アクチュエータ１３ｂの電極膜２１ｂと電極膜２２ｂの間の部分の流路１００ｂも開く。これにより図５（ｃ）の状態となり、流路１００ｂにも液体が進入する。なお、上述したように、導電性高分子の酸化還元反応を利用した屈曲型の導電性高分子アクチュエータは、メモリー機能を有するため、電極膜２１ａと電極膜２２ａの間の電圧印加をやめても、流路１００ａは開いたままである。
【００５５】
その後、電極膜２１ｂと電極膜２２ｂの間の電圧印加をやめ、電極膜２１ｃおよび電極膜２２ｃに電圧（-１．５Ｖ）を印加し、開閉型アクチュエータ１３ｃの電極膜２１ｃと電極膜２２ｃの間の部分の流路１００ｃを開き、さらに電極膜２１ａおよび電極膜２２ｂに逆位相の電圧（＋１．５Ｖ）を印加して、開閉型アクチュエータ１３ａの電極膜２１ａと電極膜２２ａの間の部分の流路１００ａを閉じる（図６（ｄ）および図７（ｄ））。
【００５６】
最後に、電極膜２１ｃと電極膜２２ｃの間の電圧印加をやめ、電極膜２１ｄおよび電極膜２２ｄに電圧を印加し（−１．５Ｖ）、開閉型アクチュエータ１３ｄの電極膜２１ｄと電極膜２２ｄの間の部分の流路１００ｄを開くとともに、電極膜２１ｂおよび電極膜２２ｂに逆位相の電圧を印加して（＋１．５Ｖ）、開閉型アクチュエータ１３ｂの電極膜２１ｂと電極膜２２ｂの間の部分の流路を閉じる（図５（ｅ）および図６（ｅ））。
【００５７】
これらの動作を繰り返すことにより、マイクロポンプ２に蠕動運動を行わせることにより、流路内の液体を移動させることができる。なお、図５および図６に示した基本動作の場合は、移動させる液体の量は、同じ位相の電圧を印加する電極膜が２つ分の流路の体積となっている。つまり、本発明のマイクロ化学チップ１に用いるマイクロポンプ２により移動させる液体の量は、電圧印加により同時に開かせる流路の数、すなわち同じ位相の電圧を印加し、逆位相をかけない電極膜の数で決めることができる。
【００５８】
マイクロ化学チップ１のサイズは、１ｍｍ×５ｍｍであり、マイクロポンプ上部に形成されている短冊形の電極膜２１のサイズは、０．８ｍｍ×０．２ｍｍである。本実施形態でのマイクロ化学チップでは、試料注入部３（体積：５ｎｌ）に導入した液体を１．３秒で輸送可能である。
【００５９】
輸送する液体量は、マイクロポンプ２のサイズに依存するため、用途に応じて，マイクロポンプ２の大きさを変化させれば、ナノリットルからマイクロリットルの液体を郵送可能である。また、移動速度は、マイクロポンプ２への印加電圧の駆動周波数に依存する。マイクロポンプ２の駆動周波数は、導電性高分子膜４１，４２の駆動速度が律速となる。本実施の形態では０．５Ｈｚで駆動させたが、その１００倍の５０Ｈｚまでは高速化が可能である。
【００６０】
屈曲型導電性アクチュエータ１１、１２の屈曲動作により生じる流路１００の体積は、屈曲型導電性アクチュエータ１１、１２の印加電圧にも比例する。すなわち、本発明のマイクロ化学チップ１に用いるマイクロポンプ２は、移動させる液体の流量を、印加電圧の大きさでも制御することが可能である。
【００６１】
本発明の実施の形態において、マイクロポンプ２に印加する電圧波形を図７に示したような方形波としたが、これに限るものではなく、正弦波などでも良い。
【００６２】
（第２の実施形態）
以下、本発明のマイクロポンプを用いたマイクロ化学チップの第２の実施形態について詳細に説明する。
【００６３】
図７は、本発明のマイクロ化学チップ２００の上面図である。図８は、図７におけるマイクロ化学チップ２００のＹ２方向の断面図である。
【００６４】
図７に示したように、本発明のマイクロ化学チップ２００は、試料注入部Ａ３００、試料注入部Ｂ４００、反応部５００、マイクロポンプＡ６００およびマイクロポンプＢ７００より構成される。また、本発明のマイクロ化学チップ２００は、試料注入口３０１および試料注入口４０１より試料注入部Ａ３００および試料注入部Ｂ４００に導入した試料液３１０および試料液４１０を、マイクロポンプＡ６００およびマイクロポンプＢ７００を用いて、第１の実施形態で説明した動作により、必要な量を反応部５００に移動させて化学反応させ、排出口５０１より排出させることができる。
【００６５】
なお、本発明のマイクロ化学チップ２００を構成するマイクロポンプＡ６００およびマイクロポンプＢ７００は、すべて、屈曲型導電性高分子アクチュエータによる開閉型アクチュエータ用いて形成されている。これにより、実施形態１で説明したように、蠕動運動により液体を流通させることができる。
【００６６】
図８（ａ）は、図７におけるマイクロ化学チップ２００において、試料注入部Ａ３００、試料注入部Ｂ４００、反応部５００、マイクロポンプＡ６００およびマイクロポンプＢ７００のいずれにも電圧を印加していない状態の断面図である。マイクロポンプＡ６００およびマイクロポンプＢ７００の構成は、実施形態１におけるマイクロポンプ２と同じであるが、試料注入部Ａ３００、試料注入部Ｂ４００、反応部５００は、実施の形態１の場合と異なる。
【００６７】
図８（ａ）に示したように、試料注入部Ａ３００、試料注入部Ｂ４００、反応部５００のいずれも、中央部の導電性高分子膜３４１、４４１、５４１と固体電解質膜３３１、４３１、５３１が除去され、その両端に開閉型のアクチュエータ３１３ａ，３１３ｂ、４１３ａ、４１３ｂ、５１３ａ、５１３ｂが形成されている。
【００６８】
図８（ｂ）は、試料注入部Ａ３００、試料注入部Ｂ４００、反応部５００に電圧を印加した場合のＹ３方向の断面図である。試料注入部Ａ３００、試料注入部Ｂ４００、反応部５００は、開閉型アクチュエータ３１３ａ，３１３ｂ、４１３ａ、４１３ｂ、５１３ａ、５１３ｂが形成されていることから、電圧を印加することにより、試料液などを収容する際のキャビティ３２０、４２０、５２０を形成することができる。キャビティ３２０、４２０、５２０の大きさは印加電圧により制御することができる。さらに、試料注入部Ａ３００、試料注入部Ｂ４００、反応部５００をアクチュエータ構造として、電圧印加により変形可能な構造としたことにより、試料液を試料注入部Ａ３００およびＢ４００より、マイクロポンプＡ６００およびＢ７００へのスムーズな導入や、マイクロポンプＡ６００およびＢ７００から反応部５００へのスムーズな導入が可能となる。
【００６９】
マイクロポンプＡ６００のサイズは、１ｍｍ×５ｍｍで、マイクロポンプ上部に形成されている短冊形の電極膜６２１、７２１のサイズは、０．８ｍｍ×０．２ｍｍである。
【００７０】
試料注入部Ａ３００、試料注入部Ｂ４００、反応部５００のサイズは、いずれも１ｍｍ×１ｍｍで、形成されている短冊形の電極膜３２１、４２１、５２１のサイズは、０．８ｍｍ×０．２ｍｍである。
【００７１】
本実施の形態において、マイクロポンプと試料注入部および反応部を略直線状に配置したが，これに限るものではなく、反応部にマイクロポンプが接続できる方向であれば、どのような配置でも良い。
【００７２】
本実施の形態において、マイクロポンプと試料注入部および反応部の横幅を同じとしたが、これに限るものではない。特に、試料注入部および反応部の横幅を大きくすれば開閉型のアクチュエータ部分開口のサイズが大きくなるため、多量の試料液を用いる際に有利である。
【００７３】
本発明のマイクロ化学チップを用いる際には、試料や薬液を流路内の材料が反応したりしないように、使用前に前処理として、流路内を不活性にするための表面処理をしておくことが有効である。例えば、フッ素材料により表面処理などが有効である。
【００７４】
本発明のマイクロ化学チップに用いるマイクロポンプ、試料注入部および反応部のサイズは上記サイズに限るものではない。導電性高分子膜を用いた場合にパターニング可能なサイズである１０μｍ程度のものからから、導電性高分子膜がキャスト法や電界重合法により作製可能な大きさである１０ｃｍ程度のものであれば良い。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明に係るマイクロ化学チップは、医療診断用や薬品応答性検出用として、試薬や試料などの液体を流通させるために有用である。
【００７６】
本発明のマイクロポンプは、簡単な構成であるため、特に使い捨てのマイクロ化学チップに適用することも可能である。
【００７７】
さらに、本発明に係るマイクロ化学チップは、マイクロＴＡＳに使用することができる。例えば、血液、髄液、唾液、尿などの生態試料の分析用マイクロＴＡＳに使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明のマイクロ化学チップの上面図
【図２】図１のマイクロ化学チップにおける断面図
【図３】図1のマイクロ化学チップにおける断面図
【図４】本発明のマイクロ化学チップにおける電気接続の概略図
【図５】本発明のマイクロ化学チップに用いるマイクロポンプの基本動作の概略図
【図６】基本動作を発生させる電圧波形図
【図７】本発明のマイクロ化学チップの上面図
【図８】マイクロ化学チップにおける断面図
【符号の説明】
【００７９】
１  マイクロ化学チップ
２  マイクロポンプ
３  試料注入部
４  反応部
５  試料注入口
６  排出口
１０  基板
１１ａ，１１ｂ、１１ｃ，１１ｄ  屈曲型の導電性高分子アクチュエータ
１２ａ，１２ｂ、１２ｃ，１２ｄ  屈曲型の導電性高分子アクチュエータ
１３ａ，１３ｂ、１３ｃ，１３ｄ  開閉型アクチュエータ
２１ａ，２１ｂ、２１ｃ，２１ｃ  電極膜
２２ａ，２２ｂ、２２ｃ，２２ｄ  電極膜
３１，３２  固体電解質膜
４１，４２  導電性高分子膜
５１，５２  支持体膜
６０  接続電極（アース）
６１,６２，６３，６４，６５  接続電極
７０  接着剤
８０  制御装置
８１  評価装置
１００ａ、１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ  流路
２００  マイクロ化学チップ
３００  試料注入部Ａ
３１０  試料液Ａ
３１３ａ，３１３ｂ  開閉型アクチュエータ
３２０  キャビティ
３２１，３２２  電極膜
３３１，３３２  固体電解質膜
３４１，３４２  導電性高分子膜
３５１，３５２  支持体膜
３７０  接着剤
４００  試料注入部Ｂ
４１０  試料液Ｂ
４１３ａ，４１３ｂ  開閉型アクチュエータ
４２０  キャビティ
４２１，４２２  電極膜
４３１，４３２  固体電解質膜
４４１，４４２  導電性高分子膜
４５１，４５２  支持体膜
４７０  接着剤
５００  反応部
５１３ａ，５１３ｂ，５１３ｃ，５１３ｄ  開閉型アクチュエータ
５２０  キャビティ
５２１，５２２  電極膜
５３１，５３２  固体電解質膜
５４１，５４２  導電性高分子膜
５５１，５５２  支持体膜
６００  マイクロポンプＡ
６１３ａ，６１３ｂ，６１３ｃ，６１３ｄ  開閉型アクチュエータ
６２１，６２２  電極膜
６３１，６３２  固体電解質膜
６４１，６４２  導電性高分子膜
６５１，６５２  支持体膜
７００  マイクロポンプＢ
７１３ａ，７１３ｂ，７１３ｃ，７１３ｄ  開閉型アクチュエータ
７２１，７２２  電極膜
７３１，７３２  固体電解質膜
７４１，７４２  導電性高分子膜
７５１，７５２  支持体膜
【図１】
2010175360.tif 000003
【図２】
2010175360.tif 000004
【図３】
2010175360.tif 000005
【図４】
2010175360.tif 000006
【図５】
2010175360.tif 000007
【図６】
2010175360.tif 000008
【図７】
2010175360.tif 000009
【図８】
2010175360.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成21年8月21日(2009.8.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，液体を正確に微小量で搬送するためのマイクロポンプを用いたマイクロ化学チップに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年，通常は実験室で行う様々な化学実験や分析を、数センチ角サイズのマイクロ化学チップ上で行う方法が注目されている。この方法は、マイクロＴＡＳ（Total Analysis System）と呼ばれる。マイクロＴＡＳは、試料の節約、分析の高速化、前処理を含めた測定の自動化、装置のポータブル化や低コスト化が可能となることから、リアルタイム診断や患者のベットサイドモニタ等の医療分野、ＤＮＡ解析などのバイオ分野、希少材料を微少量で化学合成するなどといった工業化学分野などでの応用が期待されている。
【０００３】
マイクロＴＡＳに用いるマイクロ化学チップには、ガラスやシリコン基板の表面に微細な流路が形成され、さらにその途中又は終端部には処理部が形成されている。試料及び試薬である液体は微細な流路を通じて流通され、処理部で試料中の成分の混合、分離、反応、検出などの化学プロセスが行われる。なお、上記流路などの形成には、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術が用いられる。
【０００４】
今後、マイクロＴＡＳを用いた高度な化学反応・分析システムを構築するためには、上記マイクロ化学チップ内に形成した微細な流路を通じて、試料及び試薬である微量な液体を正確に処理部へと流通させることが不可欠である。
【０００５】
液体を流通させる方法として、流路内の液体に泳動電圧を印加することにより生じる電気浸透流を利用して、流路中の液体を流通させる方法が知られている（特許文献１）。しかしながらこの方法を用いると、流路内の液体に電極を介して電圧をかけるため、電極表面で測定試料や試薬の電気分解が生じて、試料組成や試薬組成が変化してしまうことがある。
【０００６】
測定試料や試薬にダメージを与えずに液体を流通させる方法として、マイクロ化学チップの外部に送液ポンプまたは吸引ポンプを用いる方法がある。しかしこの方法では、外部にポンプを設けるため、制御の応答性、連続的な変化、耐久性、医療現場において必要な静粛性などの点で問題がある。さらに装置全体が大きくなることや、マイクロ化学チップとの接続部での液漏れの恐れもある。そのためマイクロ化学チップ内に高性能なマイクロポンプを形成し、試料及び試薬である微量な液体を正確に処理部へと流通させる手段が検討されている。
【０００７】
マイクロ化学チップ内に形成されるマイクロポンプとして、ＭＥＭＳ技術を用いた圧電体駆動のダイヤフラム型ポンプがある。ダイヤフラム型ポンプとは、流路または流路につながる空間、溶液溜まりに形成したダイヤフラムの移動による、溶液溜まりの容積を変化させることにより発生した圧力で液体を流通させるもので、容積を大きくすることにより流路の入り口から液体を導入し、容積を小さくすることで流路の出口から液体を吐出するものである（特許文献２）。この方法においては、シリコンやガラスなど硬い無機材料で形成されたダイヤフラム上に圧電ディスクを接着してダイヤフラムを変形させる。この方法では圧電駆動体の変形は小さく、十分な変位を発生させるためには高電圧の印加が必要となり、制御駆動回路が高価なものとなる。さらには、硬い圧電体と相性の良い硬いダイヤフラムを使用するため元々変位量が少ないのに加えてさらに変形量小さくなり流量が大きく出来ない問題がある。これを避けて柔らかいダイヤフラムと組み合わせて使用しても、圧電ディスク端部に応力が集中するため圧電ディスク形状の最適化設計が必要となり、その作製に大幅な労力が必要となる。それ以外の小さな問題としてはダイヤフラム型ポンプを用いた方法では、流路に残留した気泡が存在すると圧力損失が生じるため性能が低下する。気泡の残留をなくすために流路の形状を工夫する検討がなされているが、構造や作製プロセスが複雑になるといった課題がある。
【０００８】
簡単な構造で、微細な流路内の液体を流通させる方法として、ポリマー材料を用いた方法がある。特許文献３には、流路上部に温度変化により体積が変化するポリマー組成物を形成し、レーザー照射などによりポリマー組成物の温度を変化させることにより、流路内の液体を流通させる方法が提案されている。この方法では、レーザー照射による温度上昇で流路上部に形成したポリマー組成物の体積が増加すると流路が閉状態となり、温度を低下させると流路が開状態となる。そして、レーザー照射部を液体の流通方向に移動させることにより、上記開閉部が流通方向に移動し、順次開状態から閉状態に切り替わることにより、流路内を液体が流通する。この方法は、簡単なマイクロ化学チップの構造で液体の流通を可能にするものであり、かつ安価で加工しやすいポリマー組成物を用いているため、作製が容易であり、低コスト化およびディスポーザブル化も可能とするものである。しかしながら、微細な流路内に開閉部を形成するためには、ポリマー組成物の微少な領域のみを温度上昇させる必要があり、そのためにはレーザーを用いなくてはならず、測定装置全体が高価で、サイズも大きなものになるといった課題がある。
【０００９】
一方、ポリマー組成物を用いて微細な流路内の液体を流通する手段として、ポリマーアクチュエータを用いる方法が考えられる。ポリマーアクチュエータには、ゲルを電界によって屈曲させるもの（特許文献４）、誘電性エラストマー薄膜間に強電界を印加してこれを変形させるもの（非特許文献１）、酸化還元反応によって導電性高分子を伸縮させるもの（特許文献５）等がある。ゲルを電界によって屈曲させる方式のアクチュエータは、発生応力が小さく、電界を印加し続けないと屈曲性が保てないので消費電力が多くなるというという課題を有する。また、誘電性エラストマー薄膜を用いるものは、数百〜数キロボルトの高電圧が変形に必要であり、マイクロＴＡＳに利用する場合には電圧が高過ぎるために感電などの危険性が課題となる。一方、導電性高分子の酸化還元に伴う伸縮を利用した導電性高分子アクチュエータは比較的単純な構造を持ち、数ボルトの低電圧で大きなひずみ量が得られる駆動が可能であり、発生応力も十分強いという特徴を有している。
【００１０】
特許文献５には、酸化還元反応によって導電性高分子を伸縮させるアクチュエータをマイクロポンプに応用する方法が開示されている。このアクチュエータは、カチオンの出入りにより伸縮するカチオン駆動層とアニオンの出入りにより伸縮するアニオン駆動層を積層して構成されるバイモルフ層を有する導電性高分子アクチュエータを複数個用いて構成され、カチオン駆動層を内側にして互いに対向させるように第１、第２の導電性高分子アクチュエータを配置し、さらにそれぞれの先端部を結合して構成されている。それぞれのアクチュエータは、電気化学的酸化によって、内側に設置した第１、第２のカチオン駆動層が収縮し、外側に設置した第１、第２のアニオン駆動層が膨潤することにより開口部が開く動作を行う。逆に、電気的還元によって、内側に設置した第１、第２のカチオン駆動層が膨潤し、外側に設置した第１、第２のアニオン駆動層が収縮することにより開口部が閉じる動作となる。これらの動作により、電印加による導電性高分子へのカチオンおよびアニオンの出入りにより、開口部の開閉を行う開閉運動アクチュエータとしている。そして、この開閉運動アクチュエータを複数個連続して配置し、さらにそれらの開口内部に伸縮自在の１本のチューブを配置し、それぞれのアクチュエータに任意の位相差をもった電圧を印加することより蠕動運動を行わせてチューブ内部に導入した液体を流通させることが出来るマイクロポンプとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平８−２６１９８６号公報
【特許文献２】ＷＯ０１／０６６９４７号公報
【特許文献３】特許第３７９８０１１号公報
【特許文献４】特開平１１−２０６１６２号公報
【特許文献５】特開２００８−２３６９５０号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｒ．Ｐｅｌｒｉｎｅ，Ｒ．Ｋｏｒｎｂｌｕｈ，Ｑ．Ｐｅｉ  ａｎｄ  Ｊ．Ｊｏｓｅｐｈ：Ｓｃｉｅｎｃｅ，２８７，８３６−８３９（２０００）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記チューブ蠕動駆動型のポンプではアクチュエータは、導電性高分子の伸縮を行うために，外部からカチオンおよびアニオンの出入りをさせなくてはならないため、アクチュエータの周辺にはカチオンやアニオンを供給するための駆動電解質液と電極が必要である。マイクロＴＡＳ用マイクロポンプへの応用を考えると、マイクロ化学チップ内の微細な流路の周辺に駆動電解質液を存在させなくてはならないため試料及び試薬である微量な液体と混合させないための工夫が必要となり（例えば、駆動電解質液用の液室を新たに形成するなど）、電極の形成位置を考慮すると、マイクロ化学チップの構造が非常に複雑になってしまう。
【００１４】
また、アクチュエータ開口部の内側に形成したカチオン駆動層には内側からカチオンの出入りが必要である。マイクロポンプとして、アクチュエータの開口内部に伸縮自在の１本のチューブを配置して蠕動運動させる場合には、液体の流れるチューブとアクチュエータを構成する導電性高分子によるカチオン駆動層の内側面の間にカチオンを出入りさせるための駆動電解質液層が存在することになる。つまり、アクチュエータの開閉運動によりチューブ（流路に相当）を伸縮させる際に、アクチュエータを構成する導電性高分子によるカチオン駆動層とチューブの間に存在する駆動電解質液層により圧力損失が生じることになり、微量な液体を正確に流通させることが困難となる。
【００１５】
また、アクチュエータ開口部の内側に形成した導電性高分子によるカチオン駆動層とチューブとの間に存在する駆動電解質液層は液体であるため、アクチュエータが開閉運動をした際に、チューブとの間に存在する駆動電解質液層の厚みが変化してしまう。すると、駆動電解質液層から導電性高分子によるカチオン駆動層へのカチオンの供給量も変化してしまう。その結果、アクチュエータの伸縮量（すなわち開閉量）が印加電圧で制御できなくなり、チューブを押す量（圧力）がばらついてしまう。この問題は、上記マイクロポンプをマイクロＴＡＳといった非常に微量な液体を正確に流通させることが必要な用途へ応用する際に、より顕著な課題となる。さらに、前記アクチュエータは、アクチュエータ内部に前記チューブのようなアクチュエータとは別部材で作製された流路を組み込んでいる。この構成を、ＭＥＭＳ技術を用いた微細なデバイスであるマイクロ化学チップに応用するためには、内部に直径数十ミクロン程度の細孔をあけた非常に細いチューブの作製と、前記チューブをアクチュエータ内部に組み込む必要があるが、いずれの技術も非常に難しい。
【００１６】
また上記圧電体駆動方式のダイヤフラム型ポンプでは圧電体の変位量が極めて小さくポンプとしては適していない。変位量を大きくするための拡大機構も提案されているが構造が複雑となり、またその作製に大きな手間がかかる問題がある。また駆動電圧が高電圧で、通常マイクロＴＡＳに併設されるセンサなどの電源を流用した数Vでの駆動ができない。そのため高圧な電源とその高電圧を制御する回路を別途用意することが必要となる問題がある。また硬い圧電体と相性の良い硬いダイヤフラムを使用するため、元々変位量が少ないのに加えてさらに変形量小さくなり流量が大きく出来ない問題もある。これを避けて柔らかいダイヤフラムと組み合わせて使用しても、圧電ディスク端部に応力が集中しないための圧電ディスク形状の最適化設計が必要となり、その作製に大幅な労力が必要となる。
【００１７】
本発明は、導電性高分子の酸化還元に伴う伸縮を利用した導電性高分子アクチュエータを用いて、これらの問題を解決し、液体を正確に微小量で搬送するマイクロポンプを実現し、これをマイクロ化学チップに利用することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明では、上記チューブ蠕動駆動型のポンプの課題を解決するため、基板上に、少なくとも１個以上の流路と反応部とマイクロポンプと試料注入部が形成されたマイクロ化学チップにおいて、前記流路が前記マイクロポンプ内部に形成され、前記マイクロポンプが、第１、第２の屈曲型導電性高分子アクチュエータの両端部を接合して中央部が開閉する構造とした開閉型アクチュエータをもち、前記試料注入部と前記反応部が導電性高分子膜を用いて形成されかつ前記試料注入部と前記反応部が前記マイクロポンプによりつながれたことを特徴とする蠕動ポンプを用いる。これにより上記チューブ蠕動駆動型のポンプの課題を大幅に解決できる。
【００１９】
また本発明では、上記圧電駆動方式ダイヤフラム型ポンプの課題を解決するために、ダイヤフラムを直接駆動に適した柔らかく変位量が大きい導電性高分子のアクチュエータを利用することを特徴とする構成とする。導電性高分子アクチュエータは印加電圧が数Vの低電圧で駆動できる。また導電性高分子のアクチュエータは体積変化が大きくその発生力も大きいため、直接ダイヤフラムを駆動できる。
【００２０】
上記の課題解決の手段で記した導電性高分子膜は、ポリアニリン、ポリピロール、又はポリチオフェン基体のπ共役高分子、又はその誘導体である有機導電性高分子である。
【発明の効果】
【００２１】
蠕動ポンプでは上記構成をとることにより、マイクロ化学チップの試料注入部と反応部を、マイクロポンプを構成する導電性アクチュエータと同じ材料で形成してマイクロポンプとー体とした構成とすることにより、マイクロポンプ内に形成した流路への試料注入部からの流体の導入や反応部への導出が容易となる。
【００２２】
また、前記マイクロポンプの構成として、前記第１、第２の屈曲型の導電性高分子アクチュエータが、電極膜、固体電解質膜、酸化還元反応により膨張収縮する導電性高分子膜、支持体膜を順に積層した構成であり、前記開閉型のアクチュエータが、前記第１、第２の屈曲型の導電性高分子アクチュエータの支持体膜を内側に対向しており、前記電極膜が、前記開閉型アクチュエータの接合した両端に対して略垂直方向に短冊状に分割されていることを特徴とする。
【００２３】
前記マイクロポンプは、前記短冊状に分割した電極膜に順次電圧を印加することにより、前記開閉型アクチュエータを蠕動運動させ、その際に生じる第１、第２の屈曲型の導電性高分子アクチュエータの支持体膜の間の空隙を前記流路として直接流体を流通させることを特徴とする。
【００２４】
このように、導電性高分子の伸縮を行うために必要なカチオンおよびアニオンを、導電性高分子膜上に形成した固体電解質膜から供給するため、試料及び試薬である微量な液体と混合させないための工夫は必要なく、構造も簡単となる。また流路が直接マイクロポンプ内に形成された構造であるため、圧力損失や、印加電圧により流路内に発生させる圧力のばらつきも小さくすることが出来、微量な液体を正確に流通させることが可能となる。さらに、アクチュエータ内部に非常に細いチューブを組み込むプロセスの必要なく、作製プロセスが容易になる。
【００２５】
また、前記試料注入部と前記反応部が、第１、第２の屈曲型導電性高分子アクチュエータの両端部を接合することにより、中央部が開閉する構造とした開閉型アクチュエータを用いていることを特徴とする。
【００２６】
このように、前記試料注入部と前記反応部を前記屈曲型導電性高分子アクチュエータと同じ構成とすることにより、電圧を印加することにより、マイクロポンプの動きに合わせて変形させること可能となり、従来のように前記試料注入部や前記反応部を固定部として用いる場合に生じる、マイクロポンプなどの駆動部との接続部近傍での液漏れなどが生じず、高い信頼性を有する。
【００２７】
また導電性高分子アクチュエータを用いたマイクロポンプ内に直接流路を形成したマイクロポンプを用いているため、液体を正確に微小量で搬送することが出来る。また、試料注入部と反応部を前記マイクロポンプでつないでー体とした構成とすることにより、高性能なマイクロ化学チップが実現できる。
【００２８】
導電性高分子アクチュエータを駆動力とするダイヤフラム型ポンプでは、電性アクチュエータは印加電圧が数Vの低電圧で駆動でき、センサ回路の駆動電源や駆動回路をそのまま利用できる。また導電性高分子のアクチュエータは体積変化が大きくその発生力も大きいため、直接ダイヤフラムを駆動してダイヤフラムの変位量を大きく取れることからポンプの吐出量を大きくすることが出来る。しかも導電性高分子のアクチュエータのヤング率が小さいため、すなわち柔らかいため柔らかいダイヤフラムとの接触面でも応力に応じて変形し、接触面の損傷を回避できる。すなわちダイヤフラムの相性が良い。これにより、プラスチック、エラストマーなどの柔らかい材料がダイヤフラムとして使用可能となり、流路材質や目的に応じてダイヤフラム材料選択の幅も大きく増えるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のマイクロ化学チップの上面図
【図２】図1のマイクロ化学チップにおける断面図
【図３】図1のマイクロ化学チップにおける断面図
【図４】本発明のマイクロ化学チップにおける電気接続の概略図
【図５】本発明のマイクロ化学チップに用いるマイクロポンプの基本動作の概略図
【図６】図６の基本動作を発生させる電圧波形を示すグラフ
【図７】本発明のマイクロ化学チップの上面図
【図８】図８のマイクロ化学チップにおける断面図
【図９】本発明のマイクロ化学チップの流路部分の上面断面図
【図１０】本発明の導電性ポリマーアクチュエータの駆動基本単位構成説明図
【図１１】本発明の導電性ポリマーアクチュエータを用いた駆動部を示す図
【図１２】本発明の導電性ポリマーアクチュエータを用いたポンプユニットを示す図
【図１３】本発明の導電性ポリマーアクチュエータを用いたポンプを持つ化学チップを示す図
【発明を実施するための形態】
【００３０】
（第１の実施形態）
以下、本発明による蠕動ポンプを用いたマイクロ化学チップの第１の実施形態について詳細に説明する。
【００３１】
図１は、本実施形態で用いるマイクロ化学チップの上面図である。図２は、図1のマイクロ化学チップにおけるＸ１方向、Ｘ２方向、Ｙ２方向の断面図である。図３は、図1のマイクロ化学チップのＹ１方向の断面図である。
【００３２】
図1に示したように、マイクロ化学チップ１は、マイクロポンプ２、試料注入部３、反応部４から構成されている。試料注入部３は試料注入口５を、反応部４は排出口６を有している。マイクロポンプ２は、４個の開閉型アクチュエータ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを接続させた状態で構成されている。マイクロ化学チップ１は、試料注入口５より試料注入口部３に試料液を導入し、開閉型アクチュエータ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを順番に駆動させることにより、蠕動運動により試料液を試料注入部３から反応部４に搬送する。
【００３３】
図２（ａ）は図１におけるＸ１方向の断面図すなわちマイクロポンプ２の断面図である。また、図２（ｂ）は、マイクロポンプ２の動作時のＸ１方向の断面図である。
【００３４】
マイクロポンプ２は、図（ａ）に示したように、電極膜２１、固体電解質膜３１、導電性高分子膜４１、支持体膜５１の積層構造からなる屈曲型の導電性高分子アクチュエータ１１と、電極膜２２、固体電解質膜３２、導電性高分子膜４２、支持体膜５２の積層構造からなる屈曲型の導電性高分子アクチュエータ１２を、それぞれの支持体膜５１、５２を内側にして、両端部を接着剤７０で接合した構成の開閉型アクチュエータ１３の構造を有する。ここで、支持体膜５１、５２には導電性高分子膜４１，４２より硬い材料を用いている。そして、電極膜２１と導電性高分子膜４１および電極膜２２と導電性高分子膜４２の間に電圧を印加（例えば−１．５Ｖ）することにより、導電性高分子膜４１、４２を伸張する作用により、屈曲型アクチュエータ１１ａ、１２ａを上下に屈曲させ、その結果として、図２（ｂ）に示したように開閉型アクチュエータ１３ａ       の中央部を開かせ、流路１００を形成することができる。なお、開状態の開閉型アクチュエータ１３は、開状態にするために印加した電圧と逆位相の電圧（＋１．５Ｖ）を印加することにより、図２（ａ）の閉状態に戻すことが出来る。
【００３５】
図２（ｃ）は、図１におけるＸ２方向の断面図すなわち試料注入部３の中央付近の断面図である。試料注入部３は、中央部の導電性高分子膜４１と固体電解質膜３１が除去された構造である。ここには示していないが、反応部４も同様の構造をしている。
【００３６】
図３（ａ）は、図1のマイクロ化学チップのＹ１方向の断面図である。試料注入部３および反応部４は、Ｙ１方向にも中央部の導電性高分子膜４１と固体電解質膜３１が除去された構造である。試料注入部３のこの部分に試料液を導入し保持することができる。また反応部４では、試料液を保持し、必要な化学反応を起こさせることが出来る。
【００３７】
図３（ｂ）は、マイクロポンプ２の動作時のＹ１方向の断面図である。開閉型アクチュエータ１３ａ，１３ｂに電圧を印加した場合を示している。開閉型アクチュエータ１３ａ，１３ｂに電圧を印加して、図２（ｂ）に示したように中央部を開かせることにより、試料注入部３より、反応部４に向けて、流路１００を形成することが出来る。
【００３８】
電極膜２１、２２としては、導電性高分子膜のポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）とポリスチレンスルホン酸(ＰＳＳ)の混合体が用いられる。膜厚はいずれも０．５μｍで、キャスト法により作製される。
【００３９】
なお、電極膜２１、２２は、導電性高分子に限られるものではなく、炭素および金、白金、ニッケル、チタンなどの金属または合金でもよい。
【００４０】
固体電解質膜３１、３２は、有機ポリマーとイオン液体としての混合物を用いる。膜厚はいずれも０．５μｍである。有機ポリマーには、ポリフッ化ビニリデン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体［Ｐ（ＶＤＦ／ＨＦＰ）］の有機ポリマーを用いた。イオン液体には、カチオンとして、エチルメチルイミダゾリウム（ＥＭＩ）、アニオンとして、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド［（ＣＦ3ＳＯ2）2Ｎ-］（ＴＦＳＩ）を用いた。混合比は、重量比で２：８である。
【００４１】
なお、有機ポリマーは、ポリフッ化ビニリデン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体［Ｐ（ＶＤＦ／ＨＦＰ）］に限るものではなく、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、パーフルオロスルホン酸（Ｎａｆｉｏｎ，ナフィオン）、２−ヒドロキシエチルメタクリレート（ＨＥＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）の少なくとも一種以上を含む有機ポリマーであれば良い。
【００４２】
また、イオン液体材料は、エチルメチルイミダゾリウム（ＥＭＩ）やビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド［（ＣＦ3ＳＯ2）2Ｎ-］（ＴＦＳＩ）に限るものではなく、揮発性が低く、かつ導電性高分子膜への出入り可能なものであれば良い。
【００４３】
導電性高分子膜４１、４２には、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）とポリスチレンスルホン酸(ＰＳＳ)の混合体に、ポリエチレングリコール（分子量２００万）を０．５重量パーセント添加したものを用いる。作製にはキャスト法を用いる。膜厚はいずれも１０μｍである。ポリエチレンングリコールを添加することにより、導電性高分子膜の膜強度および固体電解質膜との密着性向上させることが出来る。
【００４４】
なお、ポリエチレングリコールの添加量や分子量はこれに限るものではない。添加量は０．０５重量パーセントから１０重量パーセントであれば良い。また、分子量も５０００から５００万の範囲であればよい。
【００４５】
また、導電性高分子膜材料は、前記材料に限るものではなく、ポリアニリン、ポリピロール、又はポリチオフェン基体のπ共役高分子、又はその誘導体である有機導電性高分子であれば良い。また作製もキャスト法に限らず、電界重合法などを用いても良い。
【００４６】
支持体膜５１、５２としては、金膜を用いる。膜厚は０．５μｍで、スパッタ法を用いて作製する。
【００４７】
支持体膜５１、５２は金に限られるものではなく、白金などの貴金属膜または合金膜、酸化シリコン、酸化チタンなどの金属酸化物膜、または前記屈曲型導電性高分子アクチュエータを構成する導電性高分子膜より大きなヤング率を有する高分子膜であればよい。
【００４８】
接着剤には、エポキシ系樹脂を用いる。なお、接着剤はエポキシ系材料に限られるものではなく、マイクロ化学チップで用いる試料や試薬で接着剤成分が溶出しないものであれば良い。
【００４９】
なお、本発明で用いた、導電性高分子の酸化還元反応を利用した屈曲型の導電性高分子アクチュエータ１１，１２は、メモリー機能を有するため、電圧印加をやめても、図２（ｂ）に示した流路１００は開いたままで、その大きさも変わらない。そして、流路１００は逆位相（この場合は＋１．５Ｖ）を印加すると流路１００は閉じて、図２（ａ）に示した状態となる。このように、本発明のマイクロポンプは、流路の開閉機能、すなわちバルブの機能も有しており、マイクロバルブとしても有用である。
【００５０】
図４に、本発明のマイクロ化学チップにおける電気接続の概略図を示す。なお、マイクロ化学チップ１は図１に示した構成であるが、図４ではその詳細な構成は省略している。
【００５１】
マイクロ化学チップ１を構成するマイクロポンプ２の動作は制御装置により制御される。
マイクロ化学チップ１の電気接続は、接続電極６０、６１、６２、６３、６４、６５、６６が形成された基板１０にマイクロ化学チップ１の一部を接着剤で固定して行っている。なお、接続電極には金を用いている。
【００５２】
接続電極６０は図２（ａ）および図３（ａ）で示したマイクロポンプ２において、導電性高分子膜４１，４２と接続している。接続電極６０は共通電極のアースである。また、接続電極６１、６２、６３、６４は開閉型アクチュエータ１３ａ，１３ｂ、１３ｃ、１３ｄのそれぞれの電極膜２１ａと２２ａ、２１ｂと２２ｂ、２１ｃと２２ｃ、２１ｄと２２ｄと接続し、個別に電圧を制御する。なお、マイクポンプ２と接続電極６０、６１、６２、６３、６４、との電気的な接続は、直径５０μｍの金線を用いて、前記金線を導電性ペーストでマイクロポンプ２の導電性高分子膜４１、４２、電極膜２１、２２および接続電極６０、６１、６２、６３、６４に固定することで行っている。
【００５３】
また、反応部４で行われる化学反応は、反応部４に測定用電極を形成して、接続電極６５，６６と接続して評価装置８１で電気的に評価される。接続方法は、上述したマイクロポンプ２の接続方法と同じである。なお反応部４での化学反応の評価は、電気的な評価に限るものではなく光学評価装置などを用いても良い。
【００５４】
なお、接続電極６０、６１、６２、６３、６４、６５、６６は金に限るものではなく、アルミニウムなどの他の金属材料や酸化物材料など導電性を有するものであれば何でもよい。
【００５５】
次に、本発明のマイクロ化学チップ１に用いるマイクロポンプ２の蠕動運動の動作について説明する。
【００５６】
図５は、本発明のマイクロ化学チップ１に用いるマイクロポンプ２の基本動作の概略図である。図１に示したマイクロポンプ２のＹ１方向の断面図に相当する。図５において、マイクロポンプ２を流れる液体は、図中左から右に流れていく。図６は、図５の基本動作を発生させる電圧波形図である。
【００５７】
以下に図５および図６を参照しながら、本発明のマイクロ化学チップ１に用いるマイクロポンプ２の基本動作である蠕動運動を説明する。なお、導電性高分子膜４１、４２は、アースに接続している。駆動周波数は０．５Ｈｚである。
【００５８】
図５（ａ）および図６（ａ）は初期状態である。まず始めに電極膜２１ａおよび電極膜２２ａに、制御装置８０より所定の電圧（−１．５Ｖ）を印加することにより、開閉型アクチュエータ１３ａの電極膜２１ａと電極膜２２ａの間の部分の流路１００ａを開く（図５（ｂ）および図６（ｂ））。これにより流路１００ａに流体１１０が進入する。
【００５９】
次に、電極膜２１ａと電極膜２２ａの間の電圧印加をやめるとともに、電極膜２１ｂおよび電極膜２２ｂに電圧（-１．５Ｖ）を印加し（図６（ｃ））、開閉型アクチュエータ１３ｂの電極膜２１ｂと電極膜２２ｂの間の部分の流路１００ｂも開く。これにより図５（ｃ）の状態となり、流路１００ｂにも液体が進入する。なお、上述したように、導電性高分子の酸化還元反応を利用した屈曲型の導電性高分子アクチュエータは、メモリー機能を有するため、電極膜２１ａと電極膜２２ａの間の電圧印加をやめても、流路１００ａは開いたままである。
【００６０】
次に、電極膜２１ｂと電極膜２２ｂの間の電圧印加をやめ、電極膜２１ｃおよび電極膜２２ｃに電圧（-１．５Ｖ）を印加し、開閉型アクチュエータ１３ｃの電極膜２１ｃと電極膜２２ｃの間の部分の流路１００ｃを開き、さらに電極膜２１ａおよび電極膜２２ｂに逆位相の電圧（＋１．５Ｖ）を印加して、開閉型アクチュエータ１３ａの電極膜２１ａと電極膜２２ａの間の部分の流路１００ａを閉じる（図６（ｄ）および図７（ｄ））。
【００６１】
次に、電極膜２１ｃと電極膜２２ｃの間の電圧印加をやめ、電極膜２１ｄおよび電極膜２２ｄに電圧を印加し（−１．５Ｖ）、開閉型アクチュエータ１３ｄの電極膜２１ｄと電極膜２２ｄの間の部分の流路１００ｄを開くとともに、電極膜２１ｂおよび電極膜２２ｂに逆位相の電圧を印加して（＋１．５Ｖ）、開閉型アクチュエータ１３ｂの電極膜２１ｂと電極膜２２ｂの間の部分の流路を閉じる（図５（ｅ）および図６（ｅ））。
【００６２】
これらの動作を繰り返すことにより、マイクロポンプ２に蠕動運動を行わせることにより、流路内の液体を移動させることができる。なお、図５および図６に示した基本動作の場合は、移動させる液体の量は、同じ位相の電圧を印加する電極膜が２つ分の流路の体積となっている。つまり、本発明のマイクロ化学チップ１に用いるマイクロポンプ２により移動させる液体の量は、電圧印加により同時に開かせる流路の数、すなわち同じ位相の電圧を印加し、逆位相をかけない電極膜の数で決めることができる。
【００６３】
なお、マイクロ化学チップ１のサイズは、１ｍｍ×５ｍｍであり、マイクロポンプ上部に形成されている短冊形の電極膜２１のサイズは、０．８ｍｍ×０．２ｍｍである。本実施形態でのマイクロ化学チップでは、試料注入部３（体積：５ｎｌ）に導入した液体を１．３秒で輸送可能である。
【００６４】
なお、輸送する液体量は、マイクロポンプ２のサイズに依存するため、用途に応じて，マイクロポンプ２の大きさを変化させれば、ナノリットルからマイクロリットルの液体を郵送可能である。また、移動速度は、マイクロポンプ２への印加電圧の駆動周波数に依存する。マイクロポンプ２の駆動周波数は、導電性高分子膜４１，４２の駆動速度が律速となる。本実施の形態では０．５Ｈｚで駆動させたが、その１００倍の５０Ｈｚまでは高速化が可能である。
【００６５】
また、屈曲型導電性アクチュエータ１１、１２の屈曲動作により生じる流路１００の体積は、屈曲型導電性アクチュエータ１１、１２の印加電圧にも比例する。すなわち、本発明のマイクロ化学チップ１に用いるマイクロポンプ２は、移動させる液体の流量を、印加電圧の大きさでも制御することが可能である。
【００６６】
なお、本発明の実施の形態において、マイクロポンプ２に印加する電圧波形を図７に示したような方形波としたが、これに限るものではなく、正弦波などでも良い。
【００６７】
（第２の実施形態）
以下、本発明の蠕動ポンプを用いたマイクロ化学チップの第２の実施形態について詳細に説明する。
【００６８】
図７は、本発明のマイクロ化学チップ２００の上面図である。図８は、図７におけるマイクロ化学チップ２００のＹ２方向の断面図である。
【００６９】
図７に示したように、本発明のマイクロ化学チップ２００は、試料注入部Ａ３００、試料注入部Ｂ４００、反応部５００、マイクロポンプＡ６００およびマイクロポンプＢ７００より構成される。また、本発明のマイクロ化学チップ２００は、試料注入口３０１および試料注入口４０１より試料注入部Ａ３００および試料注入部Ｂ４００に導入した試料液３１０および試料液４１０を、マイクロポンプＡ６００およびマイクロポンプＢ７００を用いて、第１の実施形態で説明した動作により、必要な量を反応部５００に移動させて化学反応させ、排出口５０１より排出させることができる。
【００７０】
なお、本発明のマイクロ化学チップ２００を構成するマイクロポンプＡ６００およびマイクロポンプＢ７００は、すべて、屈曲型導電性高分子アクチュエータによる開閉型アクチュエータ用いて形成されている。これにより、実施形態１で説明したように、蠕動運動により液体を流通させることができる。
【００７１】
図８（ａ）は、図７におけるマイクロ化学チップ２００において、試料注入部Ａ３００、試料注入部Ｂ４００、反応部５００、マイクロポンプＡ６００およびマイクロポンプＢ７００のいずれにも電圧を印加していない状態の断面図である。マイクロポンプＡ６００およびマイクロポンプＢ７００の構成は、実施形態１におけるマイクロポンプ２と同じであるが、試料注入部Ａ３００、試料注入部Ｂ４００、反応部５００は、実施の形態１の場合と異なる。
【００７２】
図８（ａ）に示したように、試料注入部Ａ３００、試料注入部Ｂ４００、反応部５００のいずれも、中央部の導電性高分子膜３４１、４４１、５４１と固体電解質膜３３１、４３１、５３１が除去され、その両端に開閉型のアクチュエータ３１３ａ，３１３ｂ、４１３ａ、４１３ｂ、５１３ａ、５１３ｂが形成されている。
【００７３】
図８（ｂ）は、試料注入部Ａ３００、試料注入部Ｂ４００、反応部５００に電圧を印加した場合のＹ３方向の断面図である。試料注入部Ａ３００、試料注入部Ｂ４００、反応部５００は、開閉型アクチュエータ３１３ａ，３１３ｂ、４１３ａ、４１３ｂ、５１３ａ、５１３ｂが形成されていることから、電圧を印加することにより、試料液などを収容する際のキャビティ３２０、４２０、５２０を形成することができる。キャビティ３２０、４２０、５２０の大きさは印加電圧により制御することができる。さらに、試料注入部Ａ３００、試料注入部Ｂ４００、反応部５００をアクチュエータ構造として、電圧印加により変形可能な構造としたことにより、試料液を試料注入部Ａ３００およびＢ４００より、マイクロポンプＡ６００およびＢ７００へのスムーズな導入や、マイクロポンプＡ６００およびＢ７００から反応部５００へのスムーズな導入が可能となる。
【００７４】
なお、マイクロポンプＡ６００のサイズは、１ｍｍ×５ｍｍで、マイクロポンプ上部に形成されている短冊形の電極膜６２１、７２１のサイズは、０．８ｍｍ×０．２ｍｍである。
【００７５】
また、試料注入部Ａ３００、試料注入部Ｂ４００、反応部５００のサイズは、いずれも１ｍｍ×１ｍｍで、形成されている短冊形の電極膜３２１、４２１、５２１のサイズは、０．８ｍｍ×０．２ｍｍである。
【００７６】
なお、本実施の形態において、マイクロポンプと試料注入部および反応部を略直線状に配置したが，これに限るものではなく、反応部にマイクロポンプが接続できる方向であれば、どのような配置でも良い。
【００７７】
なお、本実施の形態において、マイクロポンプと試料注入部および反応部の横幅を同じとしたが、これに限るものではない。特に、試料注入部および反応部の横幅を大きくすれば開閉型のアクチュエータ部分開口のサイズが大きくなるため、多量の試料液を用いる際に有利である。
【００７８】
なお、本発明のマイクロ化学チップを用いる際には、試料や薬液を流路内の材料が反応したりしないように、使用前に前処理として、流路内を不活性にするための表面処理をしておくことが有効である。例えば、フッ素材料により表面処理などが有効である。
【００７９】
なお、本発明のマイクロ化学チップに用いるマイクロポンプ、試料注入部および反応部のサイズは上記サイズに限るものではない。導電性高分子膜を用いた場合にパターニング可能なサイズである１０μｍ程度のものからから、導電性高分子膜がキャスト法や電界重合法により作製可能な大きさである１０ｃｍ程度のものであれば良い。
【００８０】
（第３の実施形態）
以下、本発明の、導電性高分子アクチュエータを駆動力とするダイヤフラム型ポンプを用いたマイクロ化学チップの第２の実施形態について詳細に説明する。
【００８１】
まず、図９に示したようなマイクロ流路を持つ基板を作製する。流路となる溝９１０の途中に溶液たまり９２０を持つ溝を持つ基板９００を用意し、その上部に蓋９０１を接着することで、マイクロ流路を完成させる。このマイクロ流路付基板の溶液溜まりの下部にポンプサブユニットを装着する空間９３０を持つように設計する。さらに溶液溜まりの底面部分９２１は円板状でかつ平坦な構造としておく。本発明に使用するマイクロアクチュエータは図１０に示すような基本駆動単位を構成し、これをさらに積層することで駆動に用いるアクチュエータを完成させる。まず平らな任意基板に金薄膜膜１００１を形成し、これを電極として溶液中で導電性ポリマー膜１００２を析出させて形成する。たとえばピロールとドデシルベンゼンスルフォン酸の混合導電性ポリマーを電解重合して用いる。２つの成分を数百ｍＭ（ミリモラー）程度に希釈した水溶液中に金薄膜を電極として電解重合させるとポリピロールが作られると同時にドデシルベンゼンスルフォン酸が取り込まれ、導電性ポリマーが作製出来る。金薄膜上に導電性ポリマーを２０-５０ミクロン程度形成後、これを基板より、ブレードなどを用いて物理的に金薄膜と導電性ポリマーの２重膜として剥離する（１００１，１００２の２重層膜）。次に電解コンデンサなどにも用いられるセパレータ紙を用意しこれに電解溶液を含浸させた電解溶液含浸セパレータ紙１００３を用意する。電解溶液としてはカチオンとして１エチル３メチルイミダゾリウム（ＥＭＩ）、アニオンとしてトリフロメチルサルフォニルイミド（ＴＦＳＩ）などのイオン性液体を利用することが出来る。ここではカチオンが導電性ポリマーに入ることで伸縮するカチオン駆動のポリマーで動作を説明する。さらに金電極の対抗電極となる金属薄片１００４を用意し導電性ポリマーとセパレータ紙を挟んで固定するするとポリマーアクチュエータの基本単位１０１０となる。このポリマーアクチュエータの基本単位からは金薄膜と導電性ポリマーからなる電極部分と金属箔片の電極とが突出する形となっている。
【００８２】
この基本単位構造１０１０を数個積層することで、図１１に示したポンプの駆動部分１１００を作製する。金薄膜と導電性ポリマーからなる電極部分と金属箔片の電極が同じ側に突出するように積層しこの積層体からはそれぞれが並んで突出する構造になっている。この２種類の電極を導電性の金属１１０１と１１０２でそれぞれ接続する。この2つの電極に１１０１に対して１１０２が正となるように電圧を印加することで、それぞれの電極間にはさまれた導電性ポリマーにカチオンが導入され導電性ポリマーの伸展が生じるようになる。ここで電極１１０１と１１０２はポンプの駆動部分１１００の上端より上には出ないように設計される。次にこの全体は、図１２に示すように、円筒の外筒１２０１に挿入され、上部にはダイヤフラム１２０２が配置される。ここで外筒１２０１とダイヤフラム１２０２は接着される。これによりポンプユニット１２１０が完成する。
【００８３】
このポンプユニット１２１０を図９で示した基板に設けられた空間９３０に挿入して装着する。図13はその断面図で、挿入後は溶液たまり９２０の底面部分９２１の平坦部分と、ダイヤフラム１２０２は接着される。これにより、ポンプ部分とマイクロ流路９０１および、溶液溜まり９２０とポンプ部分は完全に分離される。次に、ポンプユニットの空間９３０の底部ではポリマーアクチュエータの基本単位１０１０の底部を固定するように蓋１３００が取り付けられる。この蓋１３００には電極１１０１と１１０２が取り出せるように孔を空けておく。ここでこの蓋は電極と接触することのない構成とするか、または蓋の材料を電気的に電導性のないものとする。
【００８４】
以上の構成で作製した導電性高分子アクチュエータを駆動力とするダイヤフラム型ポンプは、電極１１０１と１１０２に数Ｖの電圧を加えることでポリマーアクチュエータの基本単位１０１０が縦方向に伸縮する。この変位に伴い、柔らかいダイヤフラム１２０２が溶液溜まりにある溶液を吐出または吸引しポンプ機能を果たす。
【００８５】
以上はカチオン駆動のポリマーで動作であるが、アニオン性駆動でも同様の効果が得られる。また、導電性ポリマー膜１００２をポリ（3,4-エチレンジオキシチオフェン）/ポリ（4-スチレンスルホン酸）の導電性ポリマーなどに変えても同様な効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明に係るマイクロ化学チップは、医療診断用や薬品応答性検出用として、試薬や試料などの液体を流通させるために有用である。
【００８７】
また、本発明のマイクロポンプは、簡単な構成であるため、特に使い捨てのマイクロ化学チップに適用することも可能である。
【００８８】
さらに、本発明に係るマイクロ化学チップは、マイクロＴＡＳに使用することができる。例えば、血液、髄液、唾液、尿などの生態試料の分析用マイクロＴＡＳに使用することができる。
【符号の説明】
【００８９】
１  マイクロ化学チップ
２  マイクロポンプ
３  試料注入部
４  反応部
５  試料注入口
６  排出口
１０  基板
１１ａ，１１ｂ、１１ｃ，１１ｄ  屈曲型の導電性高分子アクチュエータ
１２ａ，１２ｂ、１２ｃ，１２ｄ  屈曲型の導電性高分子アクチュエータ
１３ａ，１３ｂ、１３ｃ，１３ｄ  開閉型アクチュエータ
２１ａ，２１ｂ、２１ｃ，２１ｃ  電極膜
２２ａ，２２ｂ、２２ｃ，２２ｄ  電極膜
３１，３２  固体電解質膜
４１，４２  導電性高分子膜
５１，５２  支持体膜
６０  接続電極（アース）
６１,６２，６３，６４，６５  接続電極
７０  接着剤
８０  制御装置
８１  評価装置
１００ａ、１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ  流路
２００  マイクロ化学チップ
３００  試料注入部Ａ
３１０  試料液Ａ
３１３ａ，３１３ｂ  開閉型アクチュエータ
３２０  キャビティ
３２１，３２２  電極膜
３３１，３３２  固体電解質膜
３４１，３４２  導電性高分子膜
３５１，３５２  支持体膜
３７０  接着剤
４００  試料注入部Ｂ
４１０  試料液Ｂ
４１３ａ，４１３ｂ  開閉型アクチュエータ
４２０  キャビティ
４２１，４２２  電極膜
４３１，４３２  固体電解質膜
４４１，４４２  導電性高分子膜
４５１，４５２  支持体膜
４７０  接着剤
５００  反応部
５１３ａ，５１３ｂ，５１３ｃ，５１３ｄ  開閉型アクチュエータ
５２０  キャビティ
５２１，５２２  電極膜
５３１，５３２  固体電解質膜
５４１，５４２  導電性高分子膜
５５１，５５２  支持体膜
６００  マイクロポンプＡ
６１３ａ，６１３ｂ，６１３ｃ，６１３ｄ  開閉型アクチュエータ
６２１，６２２  電極膜
６３１，６３２  固体電解質膜
６４１，６４２  導電性高分子膜
６５１，６５２  支持体膜
７００  マイクロポンプＢ
７１３ａ，７１３ｂ，７１３ｃ，７１３ｄ  開閉型アクチュエータ
７２１，７２２  電極膜
７３１，７３２  固体電解質膜
７４１，７４２  導電性高分子膜
７５１，７５２  支持体膜
９００  化学センサ作製基板
９０１  化学センサマイクチャネル蓋部
９１０  流路
９２０  溶液たまり
９２１  溶液たまり底部
９３０  ポンプサブユニットを装着空間
１００１  金薄膜膜
１００２  導電性ポリマー膜
１００３  電解溶液含浸セパレータ紙
１００４  金電極の対抗電極
１０１０  ポリマーアクチュエータの基本単位
１１００  ポンプの駆動部分
１１０１  １１０２  金属電極
１２０１  円筒状外筒
１２０２  ダイヤフラム
１２１０  ポンプユニット
１３００  ポンプユニット固定蓋
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１個以上の流路とマイクロポンプと試料注入部と反応部が形成されたマイクロ化学チップにおいて、
前記流路が前記マイクロポンプ内部に形成されており、
前記マイクロポンプが、第１、第２の屈曲型導電性高分子アクチュエータの両端部を接合することにより、中央部が開閉する構造とした開閉型アクチュエータを用いており、
前記試料注入部と前記反応部が導電性高分子膜を用いて形成され、
かつ前記試料注入部と前記反応部が前記マイクロポンプによりつながれた構成であることを特徴とするマイクロ化学チップ。
【請求項２】
前記マイクロポンプを構成する前記第１、第２の屈曲型の導電性高分子アクチュエータが、電極膜、固体電解質膜、酸化還元反応により膨張収縮する導電性高分子膜、支持体膜を順に積層した構成であり、
前記開閉型のアクチュエータが、前記第１、第２の屈曲型の導電性高分子アクチュエータの支持体膜を内側に対向しており、
前記電極膜が、前記開閉型アクチュエータの接合した両端に対して略垂直方向に短冊状に分割されていることを特徴とするマイクロ化学チップ。
【請求項３】
前記マイクロポンプが、前記短冊状に分割した電極膜に順次電圧を印加することにより、前記開閉型アクチュエータを蠕動運動させ、その際に生じる第１、第２の屈曲型の導電性高分子アクチュエータの支持体膜の間の空隙を前記流路として直接流体を流通させることを特徴とするマイクロ化学チップ。
【請求項４】
前記試料注入部と前記反応部が、第１、第２の屈曲型導電性高分子アクチュエータの両端部を接合することにより、中央部が開閉する構造とした開閉型アクチュエータを用いていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ化学チップ。
【請求項５】
前記導電性高分子膜が、ポリアニリン、ポリピロール、又はポリチオフェン基体のπ共役高分子、又はその誘導体である有機導電性高分子であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ化学チップ。
【請求項６】
少なくとも１個以上の流路とマイクロポンプと試料注入部と反応部が形成されたマイクロ化学チップにおいて、
前記流路が前記マイクロポンプに隣接されて形成されており、
前記マイクロポンプが、導電性高分子アクチュエータの伸縮により前記流路に設けられた溶液溜まりをダイヤフラムにより圧迫して溶液を吐出する構成であることを特徴とするマイクロ化学チップ。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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