(57)【要約】【課題】  マイクロポンプなどの流体制御素子を再使用可能にするマイクロ流体チップを提供する。【解決手段】  １個以上のポートと、該ポートに連通する微細流路を有する基板と、該基板の微細流路形成面に貼り合わされる対面基板とからなるマイクロ流体チップにおいて、前記ポートのうちの少なくとも１個のポートの上面に載置して着脱可能に自己吸着されるか、又は該ポート内に挿入して着脱可能に自己吸着されるマイクロ流体部品アセンブリーを有することを特徴とするマイクロ流体チップ。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１個以上のポートと、該ポートに連通する微細流路を有する基板と、該基板の微細流路形成面に貼り合わされる対面基板とからなるマイクロ流体チップにおいて、前記ポートのうちの少なくとも１個のポートの上面に載置して着脱可能に自己吸着されるか、又は該ポート内に挿入して着脱可能に自己吸着されるマイクロ流体部品アセンブリーを有することを特徴とするマイクロ流体チップ。
【請求項２】
前記基板はポリジメチルシロキサンから形成されており、前記マイクロ流体部品アセンブリーの外殻又は本体はポリジメチルシロキサン又はガラスから形成されており、該外殻又は本体内にマイクロ流体部品が内蔵されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体チップ。
【請求項３】
前記マイクロ流体部品はマイクロポンプ、マイクロ電極及びマイクロバルブからなる群から選択される請求項１又は２記載のマイクロ流体チップ。
【請求項４】
１個以上のポートと、該ポートに連通する微細流路を有する基板と、該基板の微細流路形成面に貼り合わされる対面基板とからなるマイクロ流体チップにおいて、前記ポートのうちの少なくとも１個のポートの上面に載置して着脱可能に、マイクロポンプ部品１５を水平にした状態で、この水平部分を基板３の水平部分に設けることにより、取り付けを容易にし、かつ、全体を小型に構成できるようにしたことを特徴とするマイクロ流体チップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロ流体チップに関する。更に詳細には、本発明は、マイクロポンプなどの流体制御素子などを着脱可能に配設することができるマイクロ流体チップに関する。
【背景技術】
【０００２】
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、基板内にマイクロチャネルや反応容器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ように構成されたマイクロデバイスが提案され、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、ポート及び反応容器などの微細構造を有する構造物は総称して「マイクロ流体チップ」又は単に「マイクロチップ」と呼ばれる。マイクロ流体チップは遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニングなどの化学、生化学、薬学、医学、獣医学分野のみならず、化学工業、環境計測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、マイクロ流体チップは(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。
【０００３】
マイクロ流体チップの材質や構造及び製造方法は例えば、特許文献１及び特許文献２などに開示されている。特許文献１及び特許文献２に記載されているように、一般的に、これらのマイクロ流体チップは、一方の平面上にマイクロチャネル（微細流路）などの微細構造を有する基板と、これらの微細構造を封止する目的の平面を有する対面基板とを貼り合わせた構造を有する。各基板の材質は製造方法やマイクロ流体チップの使用目的等により、各種のものが利用されているが、基板材料にシリコンゴム系のポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を用い、対面基板にガラス基板を用いると、ＰＤＭＳ基板とガラス対面基板とが恒久接着するので、マイクロチャネルなどからの流体の漏洩が完全に防止される利点がある。
【０００４】
マイクロ流体チップ内のマイクロチャネルや反応容器では流体（主に薬液やサンプル等の液体）を扱うが、その為には流体の流れや移送を制御する機能が必要になる。特にマイクロ流体チップに内蔵した小さな機能部品は流体制御素子と呼ばれる。流体制御素子として一般的なものはマイクロバルブやマイクロポンプなどである。
【０００５】
マイクロ流体チップ内に配設されるマイクロポンプの一例は特許文献３に記載されている。特許文献１の図１によれば、マイクロポンプ１００は、流路抵抗が差圧に応じて変化する第１流路１１５と、差圧の変化に対する流路抵抗の変化の割合が第１流路１１５よりも小さい第２流路１１７と、第１流路１１５及び第２流路１１７に接続される加圧室１０９と、加圧室１０９の内部の圧力を変化させるための圧電素子１０７とを備え、加圧室１０９の内部の圧力を圧電素子１０７で変化させることにより、第１流路１１５の流路抵抗と第２流路１１７の流路抵抗との比を異ならせることができる。これにより、微少量の液体を正逆両方向に高精度に搬送することが可能となる。しかし、このマイクロポンプは次のような欠点を有する。(1)高価な圧電素子がマイクロ流体チップと共に廃棄されるので、コスト増を招く；(2)圧電素子の駆動制御は容易ではなく、思い通りに液体を搬送できない；(3)圧電素子を使用するため、マイクロ流体チップを小型化できない；(4)加圧室の前後に開閉弁や逆止弁が配設されていないため、液体の流動を完全に止めることができない；(5)加圧室の前後に開閉弁や逆止弁が配設されてていないため、外部からの大きな圧力に対し、ポンプ動作を行うことができない；及び(6)流路抵抗の相違に基づくため、液体の流動制御には利用できるが、気体の流動制御には利用できない。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２７８１３号公報
【特許文献２】特開２００１−１５７８５５号公報
【特許文献３】特開２００１−３２２０９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明の目的は、マイクロポンプなどの流体制御素子を再使用可能にするマイクロ流体チップを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するための手段としての請求項１の発明は、１個以上のポートと、該ポートに連通する微細流路を有する基板と、該基板の微細流路形成面に貼り合わされる対面基板とからなるマイクロ流体チップにおいて、前記ポートのうちの少なくとも１個のポートの上面に載置して着脱可能に自己吸着されるか、又は該ポート内に挿入して着脱可能に自己吸着されるマイクロ流体部品アセンブリーを有することを特徴とするマイクロ流体チップである。
【０００９】
前記課題を解決するための手段としての請求項２の発明は、前記基板はポリジメチルシロキサンから形成されており、前記マイクロ流体部品アセンブリーの外殻又は本体はポリジメチルシロキサン又はガラスから形成されており、該外殻又は本体内に部品が内蔵されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体チップである。
【００１０】
前記課題を解決するための手段としての請求項３の発明は、前記マイクロ流体部品はマイクロポンプ、マイクロ電極及びマイクロバルブからなる群から選択される請求項１又は２記載のマイクロ流体チップである。
【００１１】
前記課題を解決するための手段としての請求項４の発明は、１個以上のポートと、該ポートに連通する微細流路を有する基板と、該基板の微細流路形成面に貼り合わされる対面基板とからなるマイクロ流体チップにおいて、前記ポートのうちの少なくとも１個のポートの上面に載置して着脱可能に、マイクロポンプ部品１５を水平にした状態で、この水平部分を基板３の水平部分に設けることにより、取り付けを容易にし、かつ、全体を小型に構成できるようにしたことを特徴とするマイクロ流体チップである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、マイクロポンプ、マイクロ電極及びマイクロバルブなどのマイクロ流体部品をポリジメチルシロキサン又はガラスなどの内蔵させ、アセンブリー化することにより、このマイクロ流体部品アセンブリーをマイクロ流体チップのＰＤＭＳ基板のポート上面に載置するか又はポート内に挿入することにより、マイクロ流体部品アセンブリーをＰＤＭＳ基板に自己吸着させることができる。従来のマイクロ流体チップでは、使用後に、マイクロポンプや電極などはチップと共に廃棄されてしまうが、本発明によれば、マイクロ流体チップ使用後はＰＤＭＳ基板からマイクロ流体部品アセンブリーを脱離させることにより、これらマイクロ流体部品アセンブリーを別のマイクロ流体チップで再使用することができ、大幅なコスト低減を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施態様について具体的に説明する。図１は本発明によるマイクロ流体チップ１の一例の概要断面図である。本発明のマイクロ流体チップ１におけるＰＤＭＳ基板３には微細流路５とこの微細流路に連通したポート７及び９が形成されている。このような微細流路及びポートの形成方法自体は前記特許文献１及び特許文献２などに記載されており、これ以上の説明は特に必要ないであろう。また、言うまでもなく、ＰＤＭＳ基板３には図示された微細流路５及びポート７，９の他に、必要に応じて、反応容器、バルブ（例えば、開閉弁及び／又は逆止弁）など種々の構成要素を形成することができる。また、ＰＤＭＳ基板３は図示された単層に限らず、２枚以上を積層させた多層構造のＰＤＭＳ基板も使用できる。ＰＤＭＳ基板３の下面側には例えば、ガラス製の対面基板１０が恒久接着されている。微細流路５及びポート７，９は２個以上配設することもできる。
【００１４】
図１において、ポート７の上面に、マイクロポンプアセンブリー１１が載置されている。マイクロポンプアセンブリー１１は外殻１３と、この外殻１３に内蔵されたマイクロポンプ部品１５を有する。マイクロポンプ部品１５には、このポンプを駆動させるためのリード線１７，１９が接続されている。言うまでもなく、このリード線１７，１９の他端は適当な直流電源（図示されていない）に接続されている。マイクロポンプ部品１５の上部は液体貯留空間２１が形成されており、この液体貯留空間２１内に液体を給送するためのチューブ２３が適当な接着剤により固設されている。ポート７の内径はマイクロポンプ部品１５のサイズに合わせて適宜決定することができる。マイクロポンプアセンブリー１１の外殻１３の全体がＰＤＭＳで形成されているため、マイクロポンプ部品１５の排出側をポート７と一致するように位置合わせして配置すると、ＰＤＭＳ製の外殻１３はＰＤＭＳ基板３の上面に恒久接着する。マイクロ流体チップ１で所期の目的とする分析操作などが行われた後、ＰＤＭＳ基板３からマイクロポンプアセンブリー１１を剥離して回収する。従って、マイクロポンプアセンブリー１１は別のマイクロ流体チップで再使用することができる。
【００１５】
図１に示されたマイクロポンプ部品１５は例えば、多孔質膜前後にパッキンを入れて電極を設置したものであることができる。多孔質膜は例えば、ニッケル金属フィルター又はポリカーボネートフィルターなどである。ポリカーボネートフィルターは（株）三商からアイソポア（登録商標）メンブレンフィルターとして市販されている。このメンブレンはポリカーボネートフィルムからなり、メンブレン表面で試料を観察するあらゆる分析に推奨されるトラックエッチドスクリーンフィルタである。このポリカーボネートフィルターの孔径は５μｍで、厚さは１１μｍである。一方、ニッケル金属フィルターの孔径は５．０１μｍで、厚さは１０μｍである。膜前後の電極間に直流数Ｖ〜数十Ｖ（例えば、２Ｖ〜１５Ｖ）の電圧を印加すると、液体は陽極側から陰極側に向かって流れる。従って、液体貯留空間２１内の液体は多孔質膜を透過してポート７内に押し出される。この多孔質膜ポンプによる流量は０．１μＬ／ｓ〜１００μＬ／ｓの範囲内で変化させることができる。流量は印加電圧に概ね比例する。印加電圧の極性を逆にすると、液体の流動方向を逆転させることができる。このようなマイクロポンプ部品を使用することの利点は、脈流が発生しないことである。このタイプのポンプは“多孔質膜を通る電気浸透流を利用した微小流量用ポンプの開発”，森田誠（新潟大学大学院）他，第５３回理論応用力学講演会講演論文集（ＮＣＴＡＭ２００４），２００４年１月２７日発行，ｐｐ３５９−３６０に記載されている。ＰＤＭＳ外殻１３に内蔵されるポンプ部品１５は上記の多孔質膜タイプのものに限定されない。様々なタイプのマイクロポンプ部品を使用することができる。例えば、圧電素子と振動板とを貼り合わせたユニモルフ振動を用いるタイプのマイクロポンプ、圧電素子でダイアフラムを振動させるタイプのマイクロポンプ、圧電素子のずり変形を用いるタイプのマイクロポンプ、静電気力によりダイヤフラムを変形させるタイプのマイクロポンプ、振動子の一部に形状記憶合金を用いるタイプのマイクロポンプなどを適宜選択して使用することができる。使用するポンプに応じて、チューブ２３の接続形態を適宜変更することができる。例えば、ポンプの入力口にチューブ２３を接続し、ポンプの出力口をポート７内に接続する形態を採用することもできる。
【００１６】
外殻１３の材質は上記のＰＤＭＳだけに限定されず、ＰＤＭＳ基板３と自己接着することができるガラスであることもできる。
【００１７】
図２は本発明によるマイクロ流体チップ１の別の例の概要断面図である。図２では、微細流路５の途中に別のポート２５が形成されている。このポート２５内に電極アセンブリー２７を挿入する。電極アセンブリー２７はＰＤＭＳ又はガラス本体２９から構成されており、この本体２９の下面には電極３１が配設されている。電極３１にはリード線３３が接続されている。電極３１は例えば、白金又は金などのような導電性金属膜である。このような金属膜の形成方法自体は当業者に公知である。本体２９がＰＤＭＳ又はガラスから形成されているので、この電極アセンブリー２７をポート２５内に挿入すると、ＰＤＭＳ又はガラス製の本体２９はポート２５の内壁面に恒久接着する。マイクロ流体チップ１で所期の目的とする分析操作などが行われた後、ポート２５の内壁面から電極アセンブリー２７を剥離して回収する。従って、電極アセンブリー２７は別のマイクロ流体チップで再使用することができる。従来のマイクロ流体チップの場合、このような電極はガラス対面基板上にプリント配線印刷などにより形成されていたので、マイクロ流体チップ使用後は、チップと共に廃棄され、電極用の貴金属が無駄に消費されていた。しかし、本発明のマイクロ流体チップにより、このような貴金属の浪費が抑制されるばかりか、プリント配線印刷の手間も省け一挙両得である。
【００１８】
ポート２５内に挿入されるアセンブリーとしては、図２に示された電極アセンブリー２７に限らず、図１に示されたマイクロポンプアセンブリー１１であることもできる。
【実施例１】
【００１９】
図１に示されるような断面構造を有するマイクロ流体チップを作製した。対面基板１０は厚さ１ｍｍのガラス製であり、基板３は厚さ２ｍｍのＰＤＭＳ製であった。微細流路５の幅及び高さは各２００μｍであり、長さ（距離）は５０ｍｍであった。ポート９の内径は１ｍｍであった。マイクロポンプアセンブリー１１の外殻１３の外径は２０ｍｍ、高さは１５ｍｍであり、チューブ２３の内径は３ｍｍであった。マイクロポンプ部品１５としては、孔径５μｍ、孔数３２００００個、厚さ１１μｍのポリカーボネート多孔質膜を使用した。マイクロポンプ部品１５の外径は１３ｍｍであり、外殻１３内に内蔵した。マイクロポンプ部品１５のサイズに合わせて、ポート７の内径は９ｍｍとした。マイクロポンプアセンブリー１１をＰＤＭＳ基板３のポート７に対して位置合わせし、自己吸着させた。その後、チューブ２３から、イオン交換水（イオンを取り除いた蒸留水）にポリスチレン粒子（粒子径：０．１２μｍ）を濃度０．０１％で分散させたコロイド溶液を液体貯留空間２１に給送した。ポリカーボネート多孔質膜の前後に接続された電極リード線を介して直流電圧を印加し、マイクロポンプを駆動させた。印加電圧の陽極側から陰極側に向かって流れが発生した。その結果、液体貯留空間２１内のポリスチレンコロイド溶液はポート７から微細流路５を通りポート９まで流れた。印加電圧を変化させ、各電圧に対応する流量を測定した。結果を図３に示す。図３に示された特性曲線から明らかなように、印加電圧を調整することにより、液体の流量を変化させることができる。
【実施例２】
【００２０】
実施例１におけるマイクロポンプアセンブリー１１を、実施例１のマイクロ流体チップから剥離し、同じ流路構造を有する別のマイクロ流体チップのポート７の上面に自己接着させ、実施例１と同じポリスチレンコロイド溶液を用いて送液実験を行ったところ、実施例１と同じ結果が得られた。また、マイクロポンプアセンブリー１１とＰＤＭＳ基板３との接着界面からの漏液は発生しなかった。このことから、本発明によるマイクロポンプアセンブリーは、マイクロ流体チップにおける外付けマイクロポンプとして有効に繰り返し使用出来ることが理解できる。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
以上、本発明の好ましい実施態様について図面を参照しながら説明したきたが、本発明は例示された実施態様のみに限定されるものではない。例えば、ＰＤＭＳ基板３のホール７は１個だけでなく、複数個配設することもでき、各ホールにそれぞれ必要な部品アセンブリーを自己吸着させることもできる。また、  マイクロポンプなどの着脱式部品アセンブリーはホール９にも配設することができる。更に、着脱式部品アセンブリーとしては、マイクロポンプや電極だけでなく、マイクロバルブなども実施できる。
また、液体としては、ポリスチレン粒子の代わりに、シリカ粒子を分散させたイオン交換水からなるコロイド溶液も使用できる。シリカ粒子はポリスチレン粒子に比べて安価であり、経済的な利点が大きい。
液体として食塩水を使用すると電圧印加後に電気分解が起こり、気泡発生や流量の時間的減少が見られるので好ましくない。ポリスチレンコロイド溶液やシリカコロイド溶液では、このような気泡発生や流量の時間的減少が見られず、流量は一定になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明のマイクロ流体チップの一例の部分概要断面図である。
【図２】本発明のマイクロ流体チップの別の例の部分概要断面図である。
【図３】実施例１における印加電圧に対する流量の変化を示す特性図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  本発明のマイクロ流体チップ
３  ＰＤＭＳ基板
５  微細流路
７  入力ポート
９  出力ポート
１０  対面基板
１１  マイクロポンプアセンブリー
１３  ＰＤＭＳ製外殻
１５  ポンプ部品
１７，１９  リード線
２１  液体貯留空間
２３  送液チューブ
２５  ポート
２７  電極アセンブリー
２９  本体
３１  電極
３３  リード線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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