(57)【要約】【課題】  ポンプ機構をマイクロ流路に内包可能で、かつ、マイクロ流路作成の煩雑さやコストダウンが可能な逆心弁の不要のマイクロデバイス及び液体輸送方法を提供する。【解決手段】  流体を押すことが可能なポンプ機構を用いてマイクロ流路内の液体を輸送するマイクロデバイスにおいて、密閉された液溜まりと、該液溜まりに隣接するポンプ機構と、前記液溜まりに連通する流路とを備え、該流路の液体の到達点に設けられた空気孔のみを空けることにより逆止弁を不要とする。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を押すことが可能なポンプ機構を用いてマイクロ流路内の液体を輸送するマイクロデバイスであって、
密閉された液溜まりと、該液溜まりに隣接するポンプ機構と、前記液溜まりに連通する流路とを備え、該流路の液体の到達点に設けられた空気孔のみを空けることにより逆止弁を不要としたことを特徴とするマイクロデバイス。
【請求項２】
前記液溜まりに、輸送する液体を注入するための空気孔が設けられており、該空気孔は、液体輸送中は塞がれていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロデバイス。
【請求項３】
前記ポンプ機構のポンプの動力源が、Belousov-Zhabotinsky（BZ）反応を駆動源として自発的な膨潤収縮運動をする自励振動ゲルであることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロデバイス。
【請求項４】
流体を押すことが可能なポンプ機構を用いてマイクロ流路内の液体を輸送する方法であ
って、
密閉された液溜まりに収納されている液体を、その液溜まりに隣接するポンプ機構を用いて、前記液溜まりに連通する流路に送り出す際に、該流路の液体の到達点に設けられた空気孔のみを空けておくことにより、逆止弁を用いることなく液体を輸送する方法。
【請求項５】
輸送する液体を、前記液溜まりの上部に設けられた空気孔から注入し、該空気孔は、液体輸送中は塞いでおくことを特徴とする請求項４に記載の液体輸送方法。
【請求項６】
前記ポンプ機構のポンプの動力源として、Belousov-Zhabotinsky（BZ）反応を駆動源として自発的な膨潤収縮運動をする自励振動ゲルを用いることを特徴とする請求項４又は５に記載の液体輸送方法。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロデバイスを用いた生化学合成方法（PCR）方法であって、前記空気穴によってマイクロデバイス内の流体の輸送方向を、逆止弁を利用せずに制御可能なマイクロチップ内で、前記ポンプ機構の圧力差を利用して生化学合成を行うことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロデバイスを用いた分析・検出方法であって、前記空気穴によってマイクロチップ内の流体の輸送方向を、逆止弁を利用せずに制御可能なマイクロデバイス内で、前記ポンプ機構の圧力差を利用して分析・検出を行うことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプ機構によってマイクロ流路内の液体を輸送するデバイスおよび方法、並びにそのデバイスを用いた分析・検出、合成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体を利用して流路と呼ばれる溶液をながすことのできる流路を作成しその２つの流路が接触する部分を利用して、化学合成を行うことは以前より行われている。マイクロ流路を利用することによって、必要な容量の数種類の化学物質を流し込みより適切な化学反応を促すことが可能となり、未反応の化学物質の低減や反応効率の上昇、さらには実験室での感染やコンダミネーションを抑えることが可能である。化学合成後に、そのままチップ内で生成物質の分離分析を行うことも可能である（非特許文献１）。
【０００３】
溶液中の成分を分析することは液体クロマトグラフィーに代表されるように、古くから行われている。溶液中の成分を分析するには、カラムと呼ばれる部分に分析する目的物質との化学的親和性の高い化学物質を固定相と呼ばれる部分に固定化し、その部分にサンプル溶液と移動相と呼ばれる溶液を流すことによって分析を行う。
【０００４】
流体を利用して化学合成を行う場合でも、溶液中の成分を分析する場合についても、送液が必要である。送液にはポンプを使用し、それは外部からのポンプ装置を利用するものである。マイクロチップ内部で分析を行う場合、流路の幅が数１００マイクロの内部に溶液を流すための圧力発生源となるポンプが必要である。現状ではすべてをマイクロチップ内部に収めることは難しいため、外部に高性能ポンプを設置して圧力差を発生させることが通常の手法である。この時、高い理論段数、早い分析を行うためには、性能の高いポンプ機構が必要である。
【０００５】
また、性能が高いポンプ機構が得られても、ポンプが外部に存在する限り、接続等の問題が生じる。電源や外部制御装置を全て内包しておりマイクロチップ内部に内包させることが可能なポンプは存在しておらず、その実用化が望まれていた。また外部に接続するポンプは、高性能であるポンプであるほど、大掛かりなシステムであり、ペレスター回転の制御などの複雑な機構を有するものが多い。また、接続する過程で汚濁が起こる可能性が高く、汚染のない密封空間で処理するマイクロ流体システムが望まれている状況にある。
【０００６】
特に、外部ポンプの機構は微少サンプル（数マイクロ〜数百マイクロ）の化学合成には不向きである。更に流路内に原料化合物に使用される溶媒が高価な場合についても外部ポンプの機構は不利である。つまり、化学反応部の小型化（マイクロチャンネル化）によって、実際に化学反応に必要な化学物質の量は低減されるが、実際に合成に必要な原料化合物の量は、外部ポンプシステムが大きいため従来型の合成とほとんど変わらない欠点があり、その改善が望まれていた。
【０００７】
溶液中の物質を分析する場合についても同様で、特に移動相に使用される溶媒が高価な場合には、分析システムを小型化しても、外部ポンプ及び周辺システムにおける必要溶媒の量は従来と変わらないために分析装置の小型化が進んでいない。
【０００８】
このように、マイクロチャンネルを利用した分析には、これまで、外部ポンプが必須であり、また、その外部ポンプの存在が、マイクロチャンネルの化学合成、化学分析の発展を遮ってきたと言える。
【０００９】
一方、外部刺激に応答して高分子鎖のコンフォメーションを変化させる刺激応答性高分子（リニアポリマー）や膨潤収縮率が変化する刺激応答性ゲルは、これまで基礎から応用まで幅広く研究が行われてきた（非特許文献２）。特に温度応答性を有するポリ−Ｎ−イソプロピルアクリルアミドゲル（PNIPAAm）は，1次相転移である体積相転移現象が故田中豊一（MIT）らによって見出されて以来，細胞の接着性制御や薬物放出デバイスなど様々な応用展開（非特許文献３）がなされてきた。
【００１０】
高分子アクチュエータの一種であるゲルアクチュエータはこうした高分子ゲルからなり、軽量・柔軟・成形加工性の高さを特徴とし、有機材料で構成されているため金属疲労が発生せず、無音で駆動することを特徴としている。高分子素材の柔軟性から、電磁モーターやギヤから構成されるアクチュエータと比較して、非常に柔らかい動きを簡単に作り出すことができる。また電磁モーターのように発熱しないことも、ゲルアクチュエータの特徴として挙げることができる。
【００１１】
ゲルアクチュエータは筋肉同様にスケール普遍性を持つため、マクロに機能を果たすアクチュエータの開発に成功すれば、微細化しても同様の働きが得られることが保障される。ゲルアクチュエータのスケール普遍性と合わせて、これまでの機械駆動の分野にない特徴を有するゲルアクチュエータは、半導体微細加工技術の著しい発展から、マイクロチップの微細空間で機能するマイクロ流体素子として活用することが切望されてきた。ゲルアクチュエータは、合成時に使用する鋳型さえ微細化すればスケールダウンは非常に安易である。さらに、ゲルアクチュエータは、柔軟な駆動が特徴であることから電磁モーターやギヤからなるアクチュエータに比べて、微細空間においても多自由度のアクチュエータをより簡便に作製可能なメリットを有している。作製段階においても、UVや低温の温度環境で合成可能な高分子も多いため、作製時に必要なエネルギーコストが非常に小さいことも特徴として挙げられる。
【００１２】
ゲル内部で化学反応を直接的に力学的なエネルギーに変換して膨潤収縮運動が可能となれば、これまでの刺激応答性ゲルと異なり、その形態変化（出力）を起こすために、スイッチとして常に温度や電場などの外部刺激（入力）を必要としない自励振動ゲルを作製することができる。本発明に利用する自励振動ゲルは、外部電源および外部制御装置を含めたシステム全体の微細化を目指して、自らリズムを発し周期的なパルスや空間パターンを生み出す非線形反応として知られているBelousov-Zhabotinsky（BZ）反応を利用した。BZ反応は、代謝反応との類似性が多く、情報伝達や自己組織化などの種々の生命現象を理解するための化学モデルとしてその重要性が認識されている（非特許文献４，５）。またBZ反応は常に反応基質を供給するシステムを組まなくとも、バッチ内で安定的に振動反応を起こすことを特徴としているため、本発明を達成するためには最適な振動反応だといえる。
【００１３】
これまでBZ反応を駆動源としてポリマー鎖を駆動させる研究として、1984年に石渡（信州大）らがリニアポリマー（非特許文献６）で、また1996年に吉田（東大）らが化学架橋構造を有するゲルの合成（非特許文献７）に成功している。これら自励振動高分子は、BZ反応触媒であるRu(bpy)3を高分子鎖に内包することによって達成している。ポリマー鎖内に導入されたRu(bpy)3部位は、酸化状態（Ru(III）と還元状態（Ru(II)）で溶解性が変化する。そのため、BZ反応場におけるRu(bpy)3部位の周期的な酸化還元状態の変化によって、ポリマー鎖の溶解性が周期的に変化するため、リニアポリマーでは凝集・解離の周期的変化を透過率振動として、またゲルでは膨潤収縮挙動として観測することができる。架橋構造を有する自励振動ゲルは、化学反応を直接的に力学的なエネルギーに変換して体積振動を起こすことが可能であるためアクチュエータとして使用可能な点で特に優れている。
【００１４】
これらのBZ反応を駆動源として自発的な膨潤収縮運動を繰り返す自励振動ゲル（以下、単に「自励振動ゲル」ということもある。）の特徴として、化学エネルギーを直接的に力学的なエネルギーに変換して駆動することが可能であるため、外部電源および外部制御装置が必要なく、周期的に駆動させるための外部制御システムも必要としない点にある。また自励振動のOn-Offスイッチングを行う必要性がある場合には、外部温度制御（非特許文献８）もしくはマロン酸等のＢＺ反応の有機酸となる物質の流量をコントロール（非特許文献９）することでも可能である。
【００１５】
こうした自励振動ゲルを用いた装置或いはシステムの発明も提案されており、例えば、特許文献１では、自励振動ゲルの配列体、及びその製造方法が提供されている。また、特許文献２では、ナノ単位の自励振動ゲルの配列体及びその製造方法が提供されている。これらの方法は、いずれも自励振動ゲルの配列体を用いるものであるが、該配列体は、突起あるいはロッド状に形成される必要があり、製造に手間やコストがかるという問題がある。
さらに、特許文献３では、自励振動ゲルを用いたマイクロチップ内での輸送システムが提案されている。しかしながら、該システムでは、流路内に自励振動ゲルが配置されるために、輸送する液体と、ポンプを駆動させるための自励振動ゲルを完全に分離することができないために、輸送する液体が限られるという問題がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】Kitamori, Kobayashi, Sceince 252, (1998)
【非特許文献２】Tanaka, T.(1981). Gels, Scientific American.,244, pp.110-116.
【非特許文献３】Hoffman, A.S. (2002) Hydrogels for biomedical applications, Advanced Drug Delivery Reviews, 43, pp. 3-12.
【非特許文献４】Zaikin,A.N.; Zhabotinsky, A.M. (1970). Concentration Wave propagation intwo-dimensional liquid-phase self-oscillating system, Nature, 225, pp. 535-537.
【非特許文献５】Field, R.J.;Burger, M. (1985). Oscillations and Traveling Waves in Chemical Systems; John Wiley & Sons: New York, NY, USA.
【非特許文献６】Ishiwatari,T.; Kawaguchi, M.; Mitsuishi, M. (1984). Oscillatry reactions in polymersystems, Journal of Polymer Science PartA: Polymer Chemistry, 22, pp. 2699-2704
【非特許文献７】Yoshida, R.;Takahashi, T.; Yamaguchi, T.; Ichijo, H. (1996). Self-oscillating gel, Journal of the American Chemical Society,118, pp. 5134-5135.
【非特許文献８】Y. Hara and R.Yoshida: "Control of oscillating behavior for the self-oscillating polymerwith pH-control site", Langmuir 21, 9773-9776 (2005).
【非特許文献９】R. Yoshida, K. Takeiand T. Yamaguchi: "Self-beating motion of gels and modulation ofoscillation rhythm synchronized with organic acid", Macromolecules 36 (6),1759-1761 (2003).
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特許公開２０１０−２２２４６５号公報
【特許文献２】特許公開２０１０−５８１８５号公報
【特許文献３】特許公開２００９−１０８７６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
前述のとおり、従来の化学および生物学的分析、クロマトグラフィーを含む分離分析では、外部電源駆動・外部制御装置を必要とする高圧ポンプ等の動力源が必要であった。そのため、それらの手法をマイクロ流路内部で行うためには、マイクロ流路外部にあるポンプ機構や他の圧力発生装置を用いた流体の圧力制御が必要不可欠であった。しかしながら、ポンプや他の圧力発生装置はマイクロチップに比べて装置が大掛かりになることに加えて、マイクロチップとの接続が複雑且つ煩雑であった。また化学反応や分離分析を行う機能的部位とポンプの接続の際においては特殊技術を必要とし、また機能的部位の劣化による化学反応および分離の再現性が低いといった原理的な問題があった。そのため、マイクロ流路に内包可能で、外部電源および外部制御装置、ならびにマイクロ流路作成の煩雑さやコストダウンが可能な逆心弁の不要のポンプ機構の提供が望まれていた。またそのようなポンプ機構を内包したマイクロチップ、およびマイクロチップ内部でポンプ機構を内包するマイクロ流路内で圧力差を利用して行う化学および生物学的分析手法が望まれていた。
【００１９】
こうした課題を解決するため、外部電源および外部制御装置が必要なく、周期的に駆動させるための外部制御システムも必要としない自励振動ゲルを用いることが検討されている。
図１（ａ）は、ＢＺ反応とそれに同期して駆動する高分子鎖を示す図であり、図１（ｂ）は、ＢＺ反応の周期的な変化に同期して膨潤収縮を自発的に繰り返す自励振動ゲルを示す図である。自励振動ゲルは、図1（ａ）および図（ｂ）のように振動反応であるＢＺ反応に同期して膨潤と収縮を自発的に繰り返す高分子ゲルである。
【００２０】
図１（ｃ）は、このような自励振動ゲルを動力源としたポンプ機構の一例を示す図である。上記のような自発的な膨潤収縮運動を繰り返す自励振動ゲルをマイクロチップ内部に導入する場合、逆止弁を用いないとポンプから押し出される溶液は、逆流するため一方向に流すことができないことが常識的に知られているため、逆心弁を用いたポンプ機構となることが一般的である。
しかしながらマイクロ素子内部のようなμｍオーダーの微細な空間においては逆止弁を作成すること自体が大きな手間になり、また製造工程も多くなり、また煩雑である。また工程数や煩雑さが増すため製造時間の増加や、マイクロチップのコストアップにも繋がる。
【００２１】
本発明は、こうした現状を鑑みてなされたものであって、ポンプ機構をマイクロ流路に内包可能で、かつ、マイクロ流路作成の煩雑さやコストダウンが可能な逆心弁の不要のマイクロデバイス及び液体輸送方法を提供することを目的とするものである。また、そのようなポンプ機構を内包したマイクロチップ、およびマイクロチップ内部でポンプ機構を内包するマイクロ流路内で圧力差を利用して行う化学および生物学的分析手法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、従来型の逆止弁を用いたマイクロチップの構造を根本的に見直し、空気穴と多層構造を組み合わせた新規なチップ構造によって、逆止弁不要のポンプ機構を内包したマイクロチップを実現し得ることを見出した。そして、特に、マイクロチップ内部に自発的な膨潤収縮運動を繰り返す自励振動ゲルを埋め込むことで、外部制御装置、外部電源および逆止弁を必要としないポンプ機構の開発ができるという知見を得た。
【００２３】
本発明はこれらの知見に基づいて完成に至ったものであり、本発明によれば、以下の発明が提供される。
〈１〉流体を押すことが可能なポンプ機構を用いてマイクロ流路内の液体を輸送するマイクロデバイスであって、
密閉された液溜まりと、該液溜まりに隣接するポンプ機構と、前記液溜まりに連通する流路とを備え、該流路の液体の到達点に設けられた空気孔のみを空けることにより逆止弁を不要としたことを特徴とするマイクロデバイス。
〈２〉前記液溜まりに、輸送する液体を注入するための空気孔が設けられており、該空気孔は、液体輸送中は塞がれていることを特徴とする〈１〉に記載のマイクロデバイス。
〈３〉前記ポンプ機構のポンプの動力源が、Belousov-Zhabotinsky（BZ）反応を駆動源として自発的な膨潤収縮運動をする自励振動ゲルであることを特徴とする〈１〉又は〈２〉に記載のマイクロデバイス。
〈４〉流体を押すことが可能なポンプ機構を用いてマイクロ流路内の液体を輸送する方法であって、
密閉された液溜まりに収納されている液体を、その液溜まりに隣接するポンプ機構を用いて、前記液溜まりに連通する流路に送り出す際に、該流路の液体の到達点に設けられた空気孔のみを空けておくことにより、逆止弁を用いることなく液体を輸送する方法。
〈５〉輸送する液体を、前記液溜まりの上部に設けられた空気孔から注入し、該空気孔は、液体輸送中は塞いでおくことを特徴とする〈４〉に記載の液体輸送方法。
〈６〉前記ポンプ機構のポンプの動力源として、Belousov-Zhabotinsky（BZ）反応を駆動源として自発的な膨潤収縮運動をする自励振動ゲルを用いることを特徴とする〈４〉又は〈４〉に記載の液体輸送方法。
〈７〉〈１〉〜〈３〉のいずれかに記載のマイクロデバイスを用いた生化学合成方法（PCR）方法であって、前記空気穴によってマイクロデバイス内の流体の輸送方向を、逆止弁を利用せずに制御可能なマイクロチップ内で、前記ポンプ機構の圧力差を利用して生化学合成を行うことを特徴とする方法。
〈８〉〈１〉〜〈３〉のいずれかに記載のマイクロデバイスを用いた分析・検出方法であって、前記空気穴によってマイクロチップ内の流体の輸送方向を、逆止弁を利用せずに制御可能なマイクロデバイス内で、前記ポンプ機構の圧力差を利用して分析・検出を行うことを特徴とする方法。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば逆止弁を必要としないために、マイクロチップの製造工程が少なくなり、煩雑さがなくなるため、製造時間及び製造コストを減少することができる。また、本発明によれば、ポンプ機構が輸送する液体とは完全に分離された空間に位置するため、輸送する液体と、ポンプを駆動させるためのＢＺ反応溶液を完全に分離することができ、輸送する液体を制限することなく用いることが可能である。さらに、本発明によれば、空気穴の位置を制御するだけで、自由に流路のデザインが可能となる。またポンプとマイクロ流路が一体化したシステムであるため、送液ポンプを外部から繋ぐ際に分析・検出および合成を行うマイクロ流路内部の溶液が汚染されることがない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１（ａ）】ＢＺ反応とそれに同期して駆動する高分子鎖を説明する図
【図１（ｂ）】ＢＺ反応の周期的な変化に同期して膨潤収縮を自発的に繰り返す自励振動ゲルを説明する図
【図１（ｃ）】従来型の逆止弁を利用した自励振動ゲルを動力源としたポンプ機構を示す図
【図２】自励ゲルのポンプとマイクロ流路を内蔵したマイクロデバイス（マイクロチップ）の一例を示す図
【図３】図２のデバイスを横からみた図
【図４（ａ）】ポンプ上部の液だまりと空気穴を1つ空けたマイクロ流路の図
【図４（ｂ）】ポンプ上部の液だまりと空気穴を２つ空けたマイクロ流路の図
【図５】自励ゲルのポンプとマイクロ流路を内蔵したマイクロデバイスの部品図の一例を示す図
【図６】作成した自励振動ゲルのポンプとマイクロ流路を内蔵したマイクロデバイスを示す図
【図７】作成した自励振動ゲルのポンプとマイクロ流路を内蔵したマイクロデバイスに色素溶液を流した結果を示す図であり、（ａ）は自励振動ゲルの導入なし、（ｂ）は自励振動ゲルの導入あり、である。
【図８】導入する自励振動ゲルを複数にしたときの図５（ｅ）に相当する図
【図９】空気穴による流体の輸送方向制御と自励振動ゲルを動力源としたポンプによる圧力差を利用したマイクロ流路内化学発光
【図１０】空気穴による流体の輸送方向制御と自励振動ゲルを動力源としたポンプによる圧力差を利用したマイクロ流路内PCR
【図１１】空気穴による流体の輸送方向制御と自励振動ゲルを動力源としたポンプによる圧力差を利用したマイクロ流路内でのアクリルアミドゲルの合成
【図１２】空気穴による流体の輸送方向制御と自励振動ゲルを動力源としたポンプによる圧力差を利用したマイクロ流路内でのシリカゲルを用いた溶液の分析
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明について、図面を用いて説明する。
図２は、本発明の、自励振動ゲルのポンプとマイクロ流路を内蔵したマイクロデバイス（マイクロチップ）の一例を示す図であり、図３は作成したチップを横から見た図である。図中、３−１は空気孔、３−２はマイクロ流路、３−３は液溜まり、３−４は自励振動ゲル、３−５はアクリル樹脂、をそれぞれ示している。
【００２７】
図２に示すように、液溜まり３−３の下部に設置されているポンプの動力源となる自励振動ゲル３−４が膜を押し、液溜まり３−３に存在する溶液を押すことで流体が前進する。図３に示すように、液溜まり３−３の上部及び輸送する液体の到達点には、それぞれ空気孔３−１が設けられている。輸送する液体を、空気孔３−１から液溜まりに注入した後、輸送する液体の到達点にある空気孔３−１のみを空けた状態で、液溜まり上部の空気孔３−１を塞ぐ。つまり、自励振動ゲルポンプ上部にある液溜まり３−３に設けられた空気孔３−１を塞ぎ、流体が進む先にある空気穴３−１が一点のみ空いていることが逆止弁をなくすために重要な技術である。なお自励振動ゲル（ポンプ機構）の設置位置は、液溜まりの下部だけではなく、上部、左右にも設置することが可能である。
【００２８】
なお、上記の例では、液溜まり３−３の上部に空気孔３−１を設けているが、液体注入のための該空気孔３−１は必ずしも必要ではなく、例えば、デバイスの製造工程中で、輸送する液体を液溜まり３−３に収納し、密閉する等の場合には、空気孔３−１を設ける必要はない。
液溜まりに空気穴が開いていないマイクロデバイスにおいては、製造過程で輸送する溶液をデバイス内部に注入して組み立てるため液溜まりの密封性が高く、特に、医療や生物学的な分野への応用の際に重要な汚染の問題が避けられる。そのような空気穴が液だまりに空いていないマイクロデバイスにおいても、本発明の機能は当然有効である。
【００２９】
図３から明らかなように、輸送する液体を貯めた液溜まりはポンプの上部に存在する。また自励振動ゲル（ポンプ機構）は輸送する液体とは完全に分離された空間に位置するため、輸送する液体と、ポンプを駆動させるためのＢＺ反応溶液を完全に分離することが可能である。これまで、ポンプの駆動源となるゲルを輸送する液体中に配置する提案（特許文献３参照）がなされていたが、このような仕組みでは硫酸や硝酸を必要とするＢＺ反応溶液と、輸送する液体中に含まれるＤＮＡやタンパク質等の生体関連物質を混合することは不可能であり、輸送できる物質や液体が限定的であることが大きな問題であった。
本発明のようにポンプの動力源となるゲルと、輸送する液体およびそこに含まれる物質（ＤＮＡやタンパク質等）を分離できる構造は、マイクロチップの応用可能性を大きく広げることができる。また、ポンプ機構をマイクロチップ内部に内包でき、液溜まりを密封して使用するため、外部からの汚染を防ぐ効果がある。特に医療に関連する生物化学的な分析・検出および反応において、汚染を防ぐことが可能なメリットは大きい。
【００３０】
そして、本発明の手法を用いれば、図４(a)のように液溜まりから多数の流路が伸びている構造を作成したときには、空気穴を空ける部分を決めるだけで、流体が進む方向を、逆止弁を設定せずに決定できるのも本発明の特徴であるといえる。また図４(b)のようにたとえ空気孔が空いている流路が２つあったとしても、当然流体の進む方向は穴の開いた２つの流路へ流れる。
【００３１】
なお、空気孔を１つだけにするだけで、密閉された液だめから液体が送り出され、また、逆止弁なしで、送り出された液体がなぜ逆流しないかは不明であるが、以下のように推察される。
すなわち、図３の流路５の部分にたまった溶液は、空気孔３−１の孔部分が疎水性のため、空気孔３−１の孔には水がはいることができずにマイクロ流路３−２の溶液は空気孔３−１へすべて流れ出る。加えて、空気孔３−１の位置を移動させることによって、液体の放出位置のコントロールが可能で、さらに、流路３−２の部分に封入する溶液の親水性と空気孔３−１の疎水性をコントロールすることによって、合成、分離について自由に流路のデザインが可能である。
【００３２】
このように、本発明において、空気穴の位置を制御するだけで、逆止弁が不要となることは画期的なことである。
【００３３】
自励振動ゲルのサイズは大きいものから小さいものまで作製可能であることから、図２や図３に示すようにマイクロ流路の中に内包可能となり、一体化が図れる。このようなポンプ機構とマイクロ流路の一体化は、マイクロチップとポンプとの接合の煩雑さや問題を一気に解決することが可能な活気的な技術である。
【００３４】
以上、本発明について、駆動源として自励振動ゲルを用いた例を用いて説明したが、本発明の方法においては、ポンプの駆動源は、外部電源不要、外部制御装置不要のBelousov-Zhabotinsky（BZ）反応を駆動源として自発的な膨潤収縮運動をする自励振動ゲルに限られないことは明らかである。
すなわち、ポンプの動力源が、光、熱、イオン、電界付与、電流付与、ｐＨの変化、化学物質の吸脱着、溶媒組成の変化、磁場の変化によって膨潤収縮運動をする刺激応答性ゲルであっても良い。
また、BZ反応を用いた自励振動ゲル以外にも、pH振動反応等の振動反応を駆動源とする振動ゲル、および加熱性の微粒子とUCSTのゲルを組み合わせた振動ゲルなど、BZ反応以外の振動反応および機構を駆動源とする自励振動するゲルに制限はない。
【００３５】
例えば、光の付与によって刺激応答する刺激応答性ゲルとしては、スピロベンゾピラン誘導体などの光によってイオン解離する基を有する親水性高分子化合物の架橋物が好ましく、また光の付与によって刺激応答する刺激応答性ゲルとしては、アゾベンゼン構造を有する化合物などの光によってシス−トランス異性化を生じる基を有する高分子化合物の架橋物が好ましい。
【００３６】
また、溶液の温度変化によって刺激応答する刺激応答性ゲルとしては、温度以上で疎水性相互作用によって凝集し水溶液中から析出してくる性質を持つ下限臨界共融温度をもつ高分子の架橋体、及び上限臨界共融温度をもつ高分子の架橋体がある。下限臨界共融温度を有する、ポリＮ−イソプロピルアクリルアミドなどのＮ−アルキル置換（メタ）アクリルアミドの架橋体やＮ−アルキル置換（メタ）アクリルアミドと（メタ）アクリル酸及びその塩、又は（メタ）アクリルアミド、又は（メタ）アクリル酸アルキルエステルなどの２成分以上の共重合体の架橋体、ポリビニルメチルエーテルの架橋物、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースなどのアルキル置換セルロース誘導体の架橋体などが挙げられる。一方、上限臨界共融温度を持つゲルとしては、ポリ（メタ）アクリルアミドの架橋体とポリ（メタ）アクリル酸の架橋体からなるインターペネトレーションネットワーク（IPN）、ポリ（メタ）アクリルアミドを主成分とする共重合体の架橋体とポリ（メタ）アクリル酸の架橋体からなるＩＰＮ体、セミＩＰＮ体及びそれらの部分中和体などが挙げられる。
【００３７】
また、電気化学反応によって刺激応答する刺激応答性ゲルとしては、コバルトセニウム、フェロセン誘導体、ルテニウムなどの金属錯体、遷移金属、オキサジアゾール誘導体、フタロシアニン系化合物、フラーレン誘導体、ポルフィリン、ポルフィリンや酸化還元タンパクなどの生態由来物質などを官能基として有するゲル構造体やポリピロール、ポリアニリンなど高分子マトリックスが酸化還元する高分子が挙げられる。
【００３８】
ｐＨの変化によって刺激応答する刺激応答性ゲルとしては、電解質系高分子ゲルが好ましく、ポリ（メタ）アクリル酸の架橋物やその塩、（メタ）アクリル酸と（メタ）アクリルアミド、ポリマレイン酸の架橋物やその塩、マレイン酸と（メタ）アクリルアミド、ヒドロキシエチル（メタ）アクリレート、ポリビニルスルホン酸の架橋物やビニルスルホン酸と（メタ）アクリルアミド、（メタ）アクリル酸アルキルエステルなどとの共重合体の架橋物、ポリビニルベンゼンスルホン酸の架橋物やその塩、ビニルベンゼンスルホン酸と（メタ）アクリルアミド、ヒドロキシエチル（メタ）アクリレートなどが挙げられる。
【００３９】
イオンの移動によって刺激応答する刺激応答性ゲルとしては、フッ素系イオン交換樹脂誘導体、ポリピロール誘導体、ポリエステル誘導体、ポリイミン誘導体、イオン液体を含浸させた高分子ゲル、それらを含有した高分子などが挙げられる。
【００４０】
また、電場応答性ゲルとしては、カチオン性高分子ゲルと電子受容性化合物とのＣＴ錯体（電荷移動錯体）、ジメチルアミノプロピル（メタ）アクリルアミドなどアミノ置換（メタ）アクリルアミドの架橋物；ジメチルアミノエチル（メタ）アクリレート、ジエチルアミノエチル（メタ）アクリレートやジメチルアミノプロピルアクリレートなどの（メタ）アクリル酸アミノ置換アルキルエステルの架橋物；ポリスチレンの架橋物；ポリビニルピリジンの架橋物；ポリビニルカルバゾールの架橋物；ポリジメチルアミノスチレンの架橋物などが挙げられる。
【００４１】
磁場の付与によって刺激応答する刺激応答性ゲルとしては、強磁性体粒子や磁性流体を含有するポリビニルアルコールの架橋物等が挙げられる。
【００４２】
高分子ゲルは基本的にイオン濃度や塩濃度の変化によっても膨潤収縮させることが可能であり、この変化を本システムに応用することも可能である。
【００４３】
化学物質の吸脱着によって刺激応答する刺激応答性ゲルとしては、強イオン性高分子ゲルが好ましく、その例として、ポリビニルスルホン酸の架橋物やビニルスルホン酸と（メタ）アクリルアミド、ヒドロキシエチル（メタ）アクリレートなどが挙げられる。
【００４４】
溶媒組成を変更することによっても高分子ゲルは膨潤収縮を起こすことが可能であるため、本システムに応用可能である。
【００４５】
また、本発明における駆動源は、これらの刺激応答性ゲルではなく、電動モータ、ピエゾ、空気圧、ガス圧、導電性高分子やエラストマーからなるアクチュエータ、電歪現象や静電誘導や磁歪現象を駆動源とするアクチュエータであっても良いことはいうまでもない。
【００４６】
しかしながら、動力源として自励振動ゲルを用いた場合には、他の動力源となりえる外部電源および外部制御装置が必要なソフトアクチュエータと比較して、電源や外部制御装置を含めた単位重量当たりの発生力が非常に大きいことが優位な特徴として挙げられる。また高分子アクチュエータ特有のスケール普遍性を有するため、性能を落とすことなく微細化することが可能である。またエネルギー源を含めても１〜２ｍｍ３程度の自励振動アクチュエータで５円から１０円程度と作製コストが従来品に比べて非常に安いことを特徴している。
【００４７】
また、図２や図３に示すような特徴を有するマイクロチップ内部は、多数のポンプを配置することが可能である。特に１つの液溜めあたり、多数のポンプを置くことで、ポンプ機能としては重要な、流体の脈動を著しく抑えることが可能である。
【００４８】
さらに、ポンプの動力源となる自励振動ゲルの駆動周波数は、温度やＢＺ基質濃度によって制御することが可能である。すなわち、自励振動ゲルが膨潤収縮する駆動周波数がポンプの駆動周波数となる。液溜めの下に多数のポンプ置くことで、温度やＢＺ基質濃度を上げることなく駆動周波数を上げることが可能となる。
【００４９】
動力源となるゲルを大きくすることで、マイクロ流路内部で蠕動運動させることが可能である。この蠕動運動を利用して、ペリスタポンプを作製することが可能である。本ペリスタポンプは、ポンプ同様に流したい液体とポンプを駆動させるための液体を完全に分離可能なように、多層構造をしていることを特徴とする。このゲルの蠕動運動を利用したポンプ機構においても、空気穴によって液体の進む方向を制御可能であり、逆止弁を必要としないことを特徴としている。
【００５０】
廉価な自励振動ゲルアクチュエータを動力源として採用したポンプ機構は、外部電源および外部制御装置を必要としないマイクロポンプを作製することが可能であり、またマイクロチップ内部に埋め込めこんで使用することが可能となる。マイクロチップはアクリル等のプラスチックから構成ができ、またポンプも廉価であることから、マイクロチップのディスポーサル化が可能となる。また外部制御装置および外部電源が必要ではないことから、マイクロチップ外部に装置は必要ないため、屋外や家庭でのその場診断を可能とするラボオンチップの実現が可能となる。
【００５１】
本ポンプ機構の動力源である自励振動ゲルは、軽量・柔軟・成形加工性の高さを特徴とし、有機材料で構成されているため金属疲労が発生せず、無音で駆動することを特徴としている。高分子素材の柔軟性から、電磁モーターやギヤから構成されるポンプ機構と比較して、発熱がほとんどない特徴を有している。
【００５２】
本ポンプ機構を用いることにより、外部制御装置および外部電源が不要な自ら駆動するポンプ機構を内包したマイクロ流路内部で、自ら駆動するポンプ機構による圧力差を利用した溶液と流路の内壁または、埋め込み流路（チューブ、キャピラリー管を含む）との間の分配係数の差による分析が可能となる。
【００５３】
ポンプの動力源となる自励振動ゲルは、筋肉同様にスケール普遍性を持つため、マクロに機能を果たすアクチュエータの開発に成功すれば、微細化しても同様の働きが得られることが保障される。そのため、動力源となる自励振動ゲルは、合成時に使用する鋳型さえ微細化すればスケールダウンは非常に安易である。さらに、柔軟な駆動が特徴であることから電磁モーターやギヤからなるアクチュエータに比べて、微細空間においても蠕動ペリスタポンプ等のやわらかい動きをしたペリスタポンプを簡便に作製できる特徴を有している。また自励振動ゲルは、作製段階においても、UVや低温の温度環境で合成可能であるため、作製時に必要なエネルギーコストが非常に小さい特徴を有する。
【００５４】
自励振動ゲルの自励振動は、光、外部温度の制御やマロン酸等の流量をコントロールする外部装置をあえて設置することで、Ｏｎ−Ｏｆｆスイッチングさせることが可能である。
【００５５】
本発明により、マイクロチャンネルや溶液中の合成や分離、生化学的な合成を流路内で行う場合での原理的に小型化が可能で、逆止弁を必要としない安価なポンプ機構を供給することが可能である。
すなわち本発明は、マイクロチャンネル内部に導入可能で且つマイクロチップ内部に圧力差を加えることが可能な外部電源および外部制御装置および逆止弁を必要としない小型ポンプ、その小型ポンプを内包したマイクロチップ、およびその小型ポンプを内包したマイクロチップ内部で圧力差を利用することで実現可能な化学および生物学的分析手法の全てを実現することを示す。外部電源・外部制御装置・逆止弁不要の小型ポンプの動力源となるのは、化学反応を直接的に力学的なエネルギーに自励変換して駆動する自励振動ゲルによって初めて実現される。また、外部制御装置をあえて利用して自励振動ゲルの駆動を制御する場合においても、従来型のポンプ等を制御するための外部制御装置よりも単純な機構で制御可能であり、外部制御装置の設計の煩雑さ低減やコストダウンに繋がる。
【００５６】
本発明を用いることにより、マイクロチャンネルを利用して行う化学反応を利用した化学合成、圧力差を利用した分離分析について、全体の化合物、貴重物質の軽減できる。
更に、化学合成装置、化学分析装置全体を小型化およびかかるコストを小さくすることができ、加えて、集積化チップ一つで、分析または化学合成を可能とすることができる。
【００５７】
例えば、外部制御装置および外部電源が不要な自ら駆動するポンプ機構を内包したマイクロ流路内部で、自ら駆動するポンプ機構による圧力差を利用した流量が数nLから数μLの範囲における流路の内壁または埋め込み流路との界面での分析を行うことが可能となる
また、外部制御装置および外部電源が不要な自ら駆動するポンプ機構を内包したマイクロ流路内部で、自ら駆動するポンプ機構による圧力差を利用した生化学相互作用を利用する分析を行うことが可能となる。
また、外部制御装置および外部電源が不要な自ら駆動するポンプ機構を内包したマイクロ流路内部で、自ら駆動するポンプ機構による圧力差を利用したPCRに代表される生化学合成、他にはたんぱく質の合成を行うことが可能となる。
また、外部制御装置および外部電源が不要な自ら駆動するポンプ機構を内包したマイクロ流路内部で、自ら駆動するポンプ機構による圧力差を利用した化学物質および生体関連物質の検出方法および化学発光検出を行うことが可能となる。
【００５８】
本発明を用いることにより、さらに下記に記載するような分析および化学反応等を起こすことが可能となる。
例えば、外部ポンプを必要としないポンプ内蔵型クロマトグラフィー、具体的には、順相・逆相クロマトグラフィー、イオン交換クロマトグラフィー、アフィニティークロマトグラフィー、サイズ排除クロマトグラフィー、キラルクロマトグラフィーなどの全体のサイズが数cm以内のプラスチックなどの基板での自己完結型の分離分析が可能となる。
また、外部からの送液を必要としない化学合成、さらにはいくつかの化学物資を混合することができる化学合成によるステップを順に行うことを可能とする数ｃｍ以内のプラスチックなどの基板での自己完結型の化学合成が可能となる。
また、外部からの送液を必要としない、たとえば、燃料電池のための化学反応、検出のための例えば、検査指示薬の混合や化学発光などの化学反応可能とする数cm以内のプラスチックなどの基板での自己完結型の化学反応が可能となる。
また、外部からの送液と必要としない、生化学合成、具体的には、DNAの増幅方法、Polymerase Chain Reaction、ペプチドの合成などの生化学合成を可能とする数cm以内のプラスチックなどの基板での自己完結型の化学反応が可能となる。
【００５９】
本発明が提案するポンプ機構の能力は、ゲルの弾性力や膨潤収縮度をコントロールすることによってその発生力を変化させることが可能である。発生力を大きくすれば、低粘度流体だけではなく、高粘度流体や半固体物、固形物分散体なども輸送することが可能である。
【００６０】
マイクロ流路を形成する材質としては樹脂、金属、セラミック、ガラス、ヒューズドシリカ、シリコーンなどが例示できる。樹脂としては例えば、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、スチレン樹脂、エポキシ樹脂、ジエン系樹脂などが挙げられる。ガラスとしては例えば、ソーダガラス、石英ガラス、クリスタルガラスなど一般的なものが使用できる。
【００６１】
本発明におけるマイクロ流路の形成方法は、特に制限されず、公知の方法により製造すればよい。
また、本発明は、その用途に応じで複数を組み合わせてもよく、また、反応、混合、分離、精製、分析、洗浄等の機能を有する装置や、回収装置、マイクロ流体デバイス等を組み合わせてもよい。
【実施例】
【００６２】
以下では実施例により本発明を説明するが、本発明の一例について述べるものであり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
なお、以下の実施例における測定は、（株）SONYビデオカメラにて撮影し、(株)キーエンス製画像処理ソフトにて解析を行ったものである。
【００６３】
［実施例１：ＢＺゲルポンプのデバイスの製作］
図５は、作製した自励ゲルのポンプとマイクロ流路を内蔵したマイクロデバイスの部品を示す図であり、図６は、これらの部品から作製した自励ゲルのポンプとマイクロ流路を内蔵したマイクロデバイスの写真である。
アクリル板にレーザー加工機を利用して図５の立体図をもとにマイクロチップ部品を作成し、図６のゲルポンプのデバイスを組み立てた。
【００６４】
［実施例２］
図６に示す実施例１のゲルポンプのデバイスの内部に、自励振動ゲルを導入し、さらに、液溜まり（６−２）に色素（メチレンブルー）で色付けした水を導入し、シールした。
ついで、ＢＺ反応基質であるマロン酸、硝酸または硫酸、及び臭素酸ナトリウムを混合したものを、溶液の導入孔（図５の５−２及びそれに対応する５−８、９、１１）から、BZ反応を起こすための溶液リザーバーに導入し、常温にて放置した後、流路内の色素の様子をビデオカメラにて観察した。
図７に、（ａ）対照実験のために、自励振動ゲルを導入しなかったものと、（ｂ）自励振動ゲルを導入して１２時間後の様子を示す。
図７に示すとおり、ゲルの自動運動によって上部層の色素が押され、流れたことが確認された。
【００６５】
［実施例３］
本実施例においては、実施例１におけるＢＺゲルデバイスのＢＺ溶液との反応炉（ＢＺリアクター部分）の個数を増やしたＢＺゲルチップを作成し、実施例２と同様の実験を行った。
図８に、ＢＺリアクターを複数個にした図面を示す。
このように、ゲルポンプの個数を増やすことで、上部液だまりに存在する溶液の送液スピードを速く、また脈流を抑えて送液することが可能である。
【００６６】
［実施例４：空気穴による流体の輸送方向制御と自励振動ゲルを動力源とするポンプによる圧力差を利用したマイクロ流路内における化学発光］
図９に、本実施例に用いたマイクロデバイスを示す。
本実施例は、自励振動ゲルを動力源とするポンプをマイクロ流路に対称に２箇所埋め込み、片側のから溶液Ａ、もう一方から溶液Ｂを流しこんで中央の流路の接している部分で溶液Ａと溶液Ｂの化学発光を行った例である。ここで溶液Ａはルシフェラーゼの水溶液で、溶液Ｂは、ルシフェリンとATPの水溶液である。
なお図中、９-１は、溶液Ａの液溜りであり、その下部には自励振動ゲルが封入されている。また、９-２は、化学発光液溜りであり、９−３は溶液Ｂの液溜りでり、その下部には自励振動ゲルが封入されている。
【００６７】
［実施例５：空気穴による流体の輸送方向制御と自励振動ゲルを動力源とするポンプによる圧力差を利用したマイクロ流路内におけるPCR］
図１０に、本実施例に用いたマイクロデバイスを示す。
本実施例では、図１０の自励振動ゲルのマイクロ流路を用いて、下部に６５℃のヒーター（１０−２）と９５℃のヒーター（１０−３）を並列に並べ、流路の内部にPCR溶液（１０−１）を流しこみ、DNAの合成を行った。
PCR溶液には、DNAプライマー、DNAポリメラーゼ、バッファー、及びdNTPの混合溶液を用いた。
【００６８】
［実施例６：空気穴による流体の輸送方向制御と自励振動ゲルを動力源とするポンプによる圧力差を利用したマイクロ流路内でのアクリルアミドゲルの合成］
図１１に、本実施例に用いたマイクロデバイスを示す。
本実施例では、図１１に示す自励振動ゲルを内包したマイクロデバイスを用いて１１−１の溶液溜りから重合促進剤と重合開始剤の混合液、１１−２の溶液溜りからアクリルアミドと架橋剤をいれ、それぞれの下部に設置した自励振動ゲルの振動により溶液が押されることによって、流路１１−３の部分でポリアクリルアミドが合成された。
【００６９】
［実施例７：空気穴による流体の輸送方向制御と自励振動ゲルを動力源とするポンプによる圧力差を利用したマイクロ流路内でのシリカゲルを用いた溶液の分析］
図１２に、本実施例に用いたマイクロデバイスを示す。
本実施例では、図１２の１２−２の流路内部に機能性シリカゲルを詰め込み、１２−３にサンプル溶液を混入し、１２−４から移動相となる溶液を導入した。１２−４の下部に自励振動ゲルを導入し、実験を行ったところ、１２−３の溶液が１２−２の機能性シリカゲルに導入され、１２−１に分析された溶液が観察された。
【符号の説明】
【００７０】
３−１：空気穴
３−２：マイクロ流路
３−３：液溜まり
３−４：自励振動ゲル
３−５：アクリル樹脂
３−６：アクリル樹脂
５−１：空気孔
５−２：自励ゲルを動作させるための溶液の導入孔
５−３：流路を流れる溶液を導入するための導入孔
５−４：空気孔
５−５：５−１の空気孔に対応した空気孔
５−６：マイクロ流路
５−７：流路へ導入する溶液をためるための液溜まり
５−８：５−２と対応した溶液の導入孔
５−９：５−２と対応した溶液の導入孔
５−１０：流路へ導入する溶液をためるための液溜まり
５−１１：５−２と対応した溶液の導入孔
５−１２：空気孔
５−１３：自励振動ゲルの設置孔
５−１４：BZ反応を起こすための溶液リザーバー
５−１５：BZ反応を起こすための溶液リザーバー
５−１６：溶液の導入流路
６−１：検出部
６−２：流路へ導入する溶液をためるための液溜まり
６−３：試料サンプルの導入部分
６−４：BZ反応を起こすための溶液リザーバー
６−５：BZ反応を起こすための溶液リザーバー
６−６：自励振動ゲルの設置孔
６−７：BZ反応を起こすための溶液リザーバー
６−８：マイクロ流路
６−９：空気穴
７−１：マイクロ流路
７−２：液溜まり
７−３：空気穴
８−１：BZ反応を起こすための溶液リザーバー
８−２：自励振動ゲルの設置孔
８−３：BZ反応を起こすための溶液リザーバー
８−４：BZ溶液の導入流路
９−１：溶液Ａの液溜り(下部にはBZゲルが封入されている)
９−２：化学発光液溜り
９−３：溶液Ｂの液溜り(下部にはBZゲルが封入されている)
１０−１：PCR溶液
１０−２：６５℃ヒーター
１０−３：９５℃ヒーター
１０−４：PCR反応後の溶液
１１−１重合促進剤と重合開始剤の混合液
１１−２：アクリルアミドモノマーと架橋剤の混合液
１１−３：化学合成が行われるマイクロチャンネル
１２−１：分析された抽出液
１２−２：機能性シリカゲルが封入されたマイクロ流路
１２−３：分析溶液の液溜まり
１２−４：移動相溶液
【図１（ａ）】
2014176931.tif 000003
【図１（ｂ）】
2014176931.tif 000004
【図１（ｃ）】
2014176931.tif 000005
【図２】
2014176931.tif 000006
【図３】
2014176931.tif 000007
【図４（ａ）】
2014176931.tif 000008
【図４（ｂ）】
2014176931.tif 000009
【図５】
2014176931.tif 000010
【図６】
2014176931.tif 000011
【図７】
2014176931.tif 000012
【図８】
2014176931.tif 000013
【図９】
2014176931.tif 000014
【図１０】
2014176931.tif 000015
【図１１】
2014176931.tif 000016
【図１２】
2014176931.tif 000017