(57)【要約】      （修正有）【課題】気泡が発生し難く、熱交換が効率的に実施できる反応チャンバを有し、反応チャンバ配設部品を交換することにより反応チャンバの容量を簡単に変更することができるマイクロ流体デバイスの提供。【解決手段】上部硬質基板３と、メンブレン層５と、台座基板６と、開口部を有する凹陥部が形成された少なくとも１個の支持カップ基板とからなり、前記上部硬質基板には流体を出し入れするための少なくとも１個の入出力ポートが該基板を貫通して配設されており、かつ、該基板の下面側には、前記入出力ポートに連通する１本の送液流路用の溝が配設されており、前記メンブレン層は前記入出力ポートの底部及び送液流路用の溝の底部を遮蔽するように前記上部硬質基板の下面側に部分的に接着されているマイクロ流体デバイス。【選択図】図２
2011030522.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部硬質基板と、メンブレン層と、台座基板と、開口部を有する凹陥部が形成された少なくとも１個の支持カップ基板とからなり、
前記上部硬質基板には流体を出し入れするための少なくとも１個の入出力ポートが該基板を貫通して配設されており、かつ、該基板の下面側には、前記入出力ポートに連通する１本の送液流路用の溝が配設されており、
前記メンブレン層は前記入出力ポートの底部及び送液流路用の溝の底部を遮蔽するように前記上部硬質基板の下面側に部分的に接着されており、
前記支持カップ基板は、前記凹陥部の開口部が前記メンブレン層の下面側に密着し、前記送液流路用の溝の端部が前記凹陥部の周縁を越えて半径方向内方に位置し、かつ、前記メンブレン層と前記上部硬質基板との非接着部が前記凹陥部の開口部に対応する位置に存在するように配置されており、
前記台座基板は前記メンブレン層の下面側に、前記支持カップ基板と分離されて配置されていることを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項２】
前記上部硬質基板には流体を出し入れするための１個の第１の入出力ポートと、流体を出し入れするための１個以上の第２の入出力ポートとが該基板を貫通して配設されており、かつ、該基板の下面側には、前記第１の入出力ポートに連通する送液流路用の１本以上の上流溝と、前記上流溝と同じ本数の、前記各第２の入出力ポートに連通する下流溝が配設されており、前記支持カップ基板は前記上流溝の本数と同じ数の凹陥部を有することを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項３】
前記支持カップ基板の凹陥部の周縁を越えて半径方向内方に位置する前記送液流路用の溝の端部のサイズが溝の他の部分のサイズよりも大きいことを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項４】
前記支持カップ基板の凹陥部の開口部に対応する位置に存在する前記メンブレン層と前記上部硬質基板との非接着部の面積が前記凹陥部の開口部の面積以上であることを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項５】
前記支持カップ基板の凹陥部内壁面は曲面状であり、前記凹陥部の底部には大気に連通する管路が更に配設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デバイス。
【請求項６】
前記支持カップ基板の凹陥部内壁面は曲面状であり、前記支持カップ基板は多孔質材料から形成されており、部材の多孔性により前記凹陥部は大気に連通していることを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項７】
前記支持カップ基板は中空円筒状のシリンダと、該シリンダ内に挿入され、上端面が平面状のピストンとからなり、前記ピストンが前記シリンダ内を昇降することにより前記ピストンの上端面と前記シリンダの内壁面とにより凹陥部が画成されることを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項８】
前記支持カップ基板には加熱冷却装置及び温度センサが更に配設されていることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項９】
該温度センサは温度制御回路を介して前記加熱冷却装置に接続されていることを特徴とする請求項８記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１０】
前記支持カップ基板は前記メンブレン層から着脱可能に配置されている請求項１〜９の何れかに記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１１】
前記送液流路の途中に開閉バルブが更に配設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デバイス。
【請求項１２】
前記開閉バルブは、前記送液流路を中断するように設けられた弁座と、該弁座の位置に対応して前記台座基板の上面に設けられた弁駆動用凹部とからなり、前記弁駆動用凹部の位置に対応する前記上部硬質基板と前記メンブレン層との界面には非接着部が存在することを特徴とする請求項１１記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１３】
前記弁座の両側に位置する前記送液流路用の溝の端部のサイズが溝の他の部分のサイズよりも大きいことを特徴とする請求項１１記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１４】
前記台座基板の弁駆動用凹部の開口部に対応する位置に存在する前記メンブレン層と前記上部硬質基板との非接着部の面積が前記弁駆動用凹部の開口部の面積以上であることを特徴とする請求項１１記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１５】
前記弁駆動用凹部の底部には大気に連通する管路が更に配設されていることを特徴とする請求項１１記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１６】
前記管路の端部は加圧・吸引手段に接続されていることを特徴とする請求項１５記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１７】
上部硬質基板と、メンブレン層と、表面上に所定の幅と深さと長さを有する１本以上の溝が配設された台座基板と、開口部を有する凹陥部と該凹陥部に連通する所定の幅と深さを有する１本以上の溝が上端面に形成された支持カップ基板とからなり、
前記上部硬質基板には流体を出し入れするための少なくとも１個の入出力ポートが該基板を貫通して配設されており、
前記メンブレン層は前記上部硬質基板の下面側に部分的に接着されており、前記メンブレン層と前記上部硬質基板との界面には、前記入出力ポートの一端に接続する送液流路形成用の１個以上の第１の非接着部と、該送液流路形成用の非接着部に連続する所定面積を有する第２の非接着部とが存在し、
前記支持カップ基板は、前記凹陥部の開口部が前記メンブレン層の下面側に密着し、前記メンブレン層と前記上部硬質基板との界面の第２の非接着部が前記凹陥部の開口部に対応する位置に存在し、かつ、支持カップ基板上端面の溝が前記送液流路形成用の第１の非接着部の長手方向位置と同じ位置になるように配置されており、
前記台座基板は、前記台座基板上面の溝の端部が前記入出力ポートの外方端に位置し、かつ、当該溝が前記送液流路形成用の第１の非接着部の長手方向位置と同じ位置になるように前記メンブレン層の下面側に、前記支持カップ基板と分離されて配置されていることを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項１８】
前記上部硬質基板には流体を出し入れするための１個の第１の入出力ポートと、流体を出し入れするための１個以上の第２の入出力ポートとが該基板を貫通して配設されており、かつ、前記メンブレン層と前記上部硬質基板との界面には、前記第１の入出力ポートの一端に接続する上流側送液流路形成用の１個以上の第１の非接着部と、前記上流側送液流路形成用の第１の非接着部と同じ個数の、前記各第２の入出力ポートの一端に接続する下流側送液流路形成用の第３の非接着部が更に存在し、前記支持カップ基板は前記上流側送液流路形成用の第１の非接着部の個数と同じ数の凹陥部を有し、かつ、支持カップ基板上端面には前記第１の非接着部及び第３の非接着部の個数と同じ数の溝が形成されていることを特徴とする請求項１７記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１９】
前記第２の非接着部の面積が前記凹陥部の開口部の面積以上であることを特徴とする請求項１７記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２０】
前記支持カップ基板の凹陥部内壁面は曲面状であり、前記凹陥部の底部には大気に連通する管路が更に配設されていることを特徴とする請求項１７記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２１】
前記支持カップ基板の凹陥部内壁面は曲面状であり、前記支持カップ基板は多孔質材料から形成されており、部材の多孔性により前記凹陥部は大気に連通していることを特徴とする請求項１７記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２２】
前記支持カップ基板は中空円筒状のシリンダと、該シリンダ内に挿入され、上端面が平面状のピストンとからなり、前記ピストンが前記シリンダ内を昇降することにより前記ピストンの上端面と前記シリンダの内壁面とにより凹陥部が画成されることを特徴とする請求項１７記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２３】
前記支持カップ基板には加熱冷却装置及び温度センサが更に配設されていることを特徴とする請求項１７〜２２の何れかに記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２４】
該温度センサは温度制御回路を介して前記加熱冷却装置に接続されていることを特徴とする請求項２３記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２５】
前記支持カップ基板は前記メンブレン層から着脱可能に配置されている請求項１７〜２４の何れかに記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２６】
前記送液流路形成用の非接着部に対応する位置の前記台座基板の箇所に前記台座基板を貫通する貫通孔が穿設されており、該貫通孔内に昇降可能なピンが挿入されており、該ピンは前記送液流路形成用非接着部が膨隆されたときに創出される送液流路を開閉するための開閉装置として機能することを特徴とする請求項１７記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２７】
ＰＣＲ増幅用デバイスとして使用されることを特徴とする請求項１〜２６の何れかに記載のマイクロ流体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロ流体デバイスに関する。更に詳細には、本発明はＰＣＲ法によりＤＮＡ断片を増幅するのに適したマイクロ流体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、マイクロ・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「マイクロ流体デバイス」と呼ばれる。
【０００３】
マイクロ流体デバイスは遺伝子解析、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、マイクロ流体デバイスは(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。
【０００４】
従来のマイクロ流体デバイス１００は、例えば、図１５（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、合成樹脂などの材料からなる上面基板１０２に少なくとも１本のマイクロチャネル（送液流路）１０４が形成されており、このマイクロチャネル１０４の少なくとも一端には入出力ポートとなるべきポート１０５，１０６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）からなる下面基板１０８が接着されている。この下面基板１０８の存在により、ポート１０５，１０６及びマイクロチャネル１０４の底部が封止される。図１５（Ａ）及び（Ｂ）に示されるようなマイクロ流体デバイス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などに提案されている。
【０００５】
マイクロ流体デバイスのマイクロチャネルやポートなどの微細構造内で行われる化学的な操作の中には、対象となる物質の温度が重要な要素となる場合があり、必要に応じて加熱や冷却の手段を講じることになる。例えば、化学反応を促進するために、室温より高い温度に加熱したり、あるいは検体溶液や試薬を安定的に一時保存するために、室温より低い温度に冷却することが頻繁に行われる。マイクロ流体デバイスの分野においても、微細構造内に導入した微量流体に対して加熱や冷却を行う必要性があり、各種の加熱冷却方法が検討されている。
【０００６】
化学的操作と同時に、マイクロ流体デバイス内の微量流体を移送する必要がある。すなわち、入力ポートに分注したある量の流体を入力ポートから反応室に移送したり、一つの反応室から別の反応室に移送したり、また、反応室から検出部などに移送したりする必要がある。マイクロ流体デバイスを高密度・高集積化し、より複合的で高度な操作を行うようにした場合、多種多様な工程が必要になり、微量流体を適切に移送する必要性がますます高まってくる。よって、加熱冷却の操作と同時に微量流体の移送を十分に考慮した方法が望まれる。
【０００７】
流体に対する加熱冷却の操作とその移送の問題を議論する上で、具体的な例の一つとしてＰＣＲを挙げることができる。以下の説明では、ＰＣＲを対象とする操作として議論する。
【０００８】
ＰＣＲとは「Polymerase Chain Reaction」の略であり、「酵素連鎖反応」等と訳され、ＤＮＡ断片の増幅を行う分子生物学上の重要な技術である。ＰＣＲは適切に調合したＰＣＲ溶液に３段階の温度サイクルを与えることにより行われる反応である。場合によっては、２段階の温度サイクルで行えるＰＣＲ試薬もあるが、以下の説明では、一般的な３段階の温度サイクルを行うことを前提にする。
【０００９】
ＰＣＲ溶液とは、(a)プライマー、(b)酵素、(c)鋳型ＤＮＡなどの混合水溶液であるが、ここではその調合方法などに関する説明は省略する。
【００１０】
３段階の温度サイクルとは、(i)熱変性、(ii)アニーリング、(iii)伸長と呼ばれる異なった温度の状態を繰り返す操作で、それぞれ９５℃近辺、５５℃近辺、７２℃近辺の温度が用いられる。各温度を維持する時間は、数十秒から数分である。サイクル数は３０回前後が一般的である。この他に、サイクルの最初の熱変性を長い時間行ったり（初期熱変性）、サイクルの最後の伸長を長い時間行ったり（最終伸長）する場合がある。
【００１１】
特許文献３には、溝構造によるＰＣＲ用の微細加工装置が記載されている。図３Ａに示されるように、この装置では、基材１４の表面に付着した透明なカバー１２を有し、その上には注入ポート１６とＰＣＲ反応チャンバ２２に連結されたメソスケールのフロー・チャネル２０が形成されており、基材１４の下面側であって、ＰＣＲ反応チャンバ２２の位置に対応する位置に加熱要素５７が配設されている。加熱要素５７は基材１４を通してＰＣＲ反応チャンバ２２の底面側にしか熱を伝えられない。すなわち、伝熱面積が小さいために、熱交換の効率が悪い。また、伝熱面積が小さい場合、反応チャンバ内の温度ムラが生じやすい。すなわち、伝熱面積が小さいほど、加熱要素の近傍が高温になり、離れたところが低温になりやすい。更に、ＰＣＲ反応チャンバ２２を実装する際、加熱要素５７に接する基材１４の板厚が厚いと、熱交換の効率は更に悪くなるが、射出成型や機械加工において、注入ポート１６やＰＣＲ反応チャンバ２２などの凹部の底面を薄く加工することは技術的困難を伴う。熱交換の効率向上は温度昇降の応答速度を上げるために必要であり、ＰＣＲ増幅作業時間の短縮と省エネルギーの観点からも解決すべき課題である。また、ＰＣＲ反応チャンバ２２は加工時にサイズ又は容量が決まっており、用途に応じて複数のサイズの反応チャンバが必要な場合は別デザインのマイクロ流体デバイスが必要になる。これは量産品であれば高価な金型が複数必要であることを意味し、コスト上昇をもたらす。量産品は同一形状で多数生産するほど単価が下がるため、同一のマイクロ流体デバイスで複数の用途に対応させることも課題になる。
【００１２】
特許文献４の図２３Ａには、流体を入口マイクロチャネル１９０６から出口マイクロチャネル１９０８にポンプ送出するためのポンプ構造体１９００が示されている。このポンプ構造体は、実質的に硬い上側メンブレン層１９１１と、実質的に硬い下側メンブレン層１９１０、上側基板層１９１４及び下側基板層１９１２を有する。しかし、この構造体では、メンブレンが硬質であるため、メンブレンが作動状態から弛緩状態に移行する時間が極めて短く、粘性を有する液体が入口マイクロチャネル１９０６から弛緩状態のメンブレンと基板間に導入されることにより応答遅延が生じ、一時的に陰圧状態になる。この陰圧状態により、例えば、メンブレン構造に接続されるバルブからのリーク、シリコーンゴム等のガス透過性が大きい基材内部あるいは基材を透過する気体若しくは液体の中に溶け込んでいた空気などが気泡となって発生する。マイクロ流体デバイス中の気泡はデバイスの動作不良の原因となるため、気泡が発生しない構造としなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００１−１５７８５５号公報
【特許文献２】米国特許第５９６５２３７号公報
【特許文献３】特許第３５５８２９４号公報
【特許文献４】特表２００９−５１０３３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従って、本発明の目的は、気泡が発生し難い反応チャンバを有し、反応チャンバ配設部品を交換することにより反応チャンバの容積を簡単に増減することができるマイクロ流体デバイスを提供することである。
本発明の別の目的は、気泡が発生し難く、熱交換が効率的に実施できる反応チャンバを有し、反応チャンバ配設部品を交換することにより反応チャンバの容積を簡単に増減することができるマイクロ流体デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記課題は以下に記載する本発明のマイクロ流体デバイスにより解決される。
（１）上部硬質基板と、メンブレン層と、台座基板と、開口部を有する凹陥部が形成された少なくとも１個の支持カップ基板とからなり、
前記上部硬質基板には流体を出し入れするための少なくとも１個の入出力ポートが該基板を貫通して配設されており、かつ、該基板の下面側には、前記入出力ポートに連通する１本の送液流路用の溝が配設されており、
前記メンブレン層は前記入出力ポートの底部及び送液流路用の溝の底部を遮蔽するように前記上部硬質基板の下面側に部分的に接着されており、
前記支持カップ基板は、前記凹陥部の開口部が前記メンブレン層の下面側に密着し、前記送液流路用の溝の端部が前記凹陥部の周縁を越えて半径方向内方に位置し、かつ、前記メンブレン層と前記上部硬質基板との非接着部が前記凹陥部の開口部に対応する位置に存在するように配置されており、
前記台座基板は前記メンブレン層の下面側に、前記支持カップ基板と分離されて配置されていることを特徴とするマイクロ流体デバイス。
（２）前記上部硬質基板には流体を出し入れするための１個の第１の入出力ポートと、流体を出し入れするための１個以上の第２の入出力ポートとが該基板を貫通して配設されており、かつ、該基板の下面側には、前記第１の入出力ポートに連通する送液流路用の１本以上の上流溝と、前記上流溝と同じ本数の、前記各第２の入出力ポートに連通する下流溝が配設されており、前記支持カップ基板は前記上流溝の本数と同じ数の凹陥部を有することを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体デバイス。
（３）前記支持カップ基板の凹陥部の周縁を越えて半径方向内方に位置する前記送液流路用の溝の端部のサイズが溝の他の部分のサイズよりも大きいことを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体デバイス。
（４）前記支持カップ基板の凹陥部の開口部に対応する位置に存在する前記メンブレン層と前記上部硬質基板との非接着部の面積が前記凹陥部の開口部の面積以上であることを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体デバイス。
（５）前記支持カップ基板の凹陥部内壁面は曲面状であり、前記凹陥部の底部には大気に連通する管路が更に配設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デバイス。
（６）前記支持カップ基板の凹陥部内壁面は曲面状であり、前記支持カップ基板は多孔質材料から形成されており、部材の多孔性により前記凹陥部は大気に連通していることを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体デバイス。
（７）前記支持カップ基板は中空円筒状のシリンダと、該シリンダ内に挿入され、上端面が平面状のピストンとからなり、前記ピストンが前記シリンダ内を昇降することにより前記ピストンの上端面と前記シリンダの内壁面とにより凹陥部が画成されることを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体デバイス。
（８）前記支持カップ基板には加熱冷却装置及び温度センサが更に配設されていることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載のマイクロ流体デバイス。
（９）該温度センサは温度制御回路を介して前記加熱冷却装置に接続されていることを特徴とする請求項８記載のマイクロ流体デバイス。
（１０）前記支持カップ基板は前記メンブレン層から着脱可能に配置されている請求項１〜９の何れかに記載のマイクロ流体デバイス。
（１１）前記送液流路の途中に開閉バルブが更に配設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デバイス。
（１２）前記開閉バルブは、前記送液流路を中断するように設けられた弁座と、該弁座の位置に対応して前記台座基板の上面に設けられた弁駆動用凹部とからなり、前記弁駆動用凹部の位置に対応する前記上部硬質基板と前記メンブレン層との界面には非接着部が存在することを特徴とする請求項１１記載のマイクロ流体デバイス。
（１３）前記弁座の両側に位置する前記送液流路用の溝の端部のサイズが溝の他の部分のサイズよりも大きいことを特徴とする請求項１１記載のマイクロ流体デバイス。
（１４）前記台座基板の弁駆動用凹部の開口部に対応する位置に存在する前記メンブレン層と前記上部硬質基板との非接着部の面積が前記弁駆動用凹部の開口部の面積以上であることを特徴とする請求項１１記載のマイクロ流体デバイス。
（１５）前記弁駆動用凹部の底部には大気に連通する管路が更に配設されていることを特徴とする請求項１１記載のマイクロ流体デバイス。
（１６）前記管路の端部は加圧・吸引手段に接続されていることを特徴とする請求項１５記載のマイクロ流体デバイス。
（１７）上部硬質基板と、メンブレン層と、表面上に所定の幅と深さと長さを有する１本以上の溝が配設された台座基板と、開口部を有する凹陥部と該凹陥部に連通する所定の幅と深さを有する１本以上の溝が上端面に形成された支持カップ基板とからなり、
前記上部硬質基板には流体を出し入れするための少なくとも１個の入出力ポートが該基板を貫通して配設されており、
前記メンブレン層は前記上部硬質基板の下面側に部分的に接着されており、前記メンブレン層と前記上部硬質基板との界面には、前記入出力ポートの一端に接続する送液流路形成用の１個以上の第１の非接着部と、該送液流路形成用の非接着部に連続する所定面積を有する第２の非接着部とが存在し、
前記支持カップ基板は、前記凹陥部の開口部が前記メンブレン層の下面側に密着し、前記メンブレン層と前記上部硬質基板との界面の第２の非接着部が前記凹陥部の開口部に対応する位置に存在し、かつ、支持カップ基板上端面の溝が前記送液流路形成用の第１の非接着部の長手方向位置と同じ位置になるように配置されており、
前記台座基板は、前記台座基板上面の溝の端部が前記入出力ポートの外方端に位置し、かつ、当該溝が前記送液流路形成用の第１の非接着部の長手方向位置と同じ位置になるように前記メンブレン層の下面側に、前記支持カップ基板と分離されて配置されていることを特徴とするマイクロ流体デバイス。
（１８）前記上部硬質基板には流体を出し入れするための１個の第１の入出力ポートと、流体を出し入れするための１個以上の第２の入出力ポートとが該基板を貫通して配設されており、かつ、前記メンブレン層と前記上部硬質基板との界面には、前記第１の入出力ポートの一端に接続する上流側送液流路形成用の１個以上の第１の非接着部と、前記上流側送液流路形成用の第１の非接着部と同じ個数の、前記各第２の入出力ポートの一端に接続する下流側送液流路形成用の第３の非接着部が更に存在し、前記支持カップ基板は前記上流側送液流路形成用の第１の非接着部の個数と同じ数の凹陥部を有し、かつ、支持カップ基板上端面には前記第１の非接着部及び第３の非接着部の個数と同じ数の溝が形成されていることを特徴とする請求項１７記載のマイクロ流体デバイス。
（１９）前記第２の非接着部の面積が前記凹陥部の開口部の面積以上であることを特徴とする請求項１７記載のマイクロ流体デバイス。
（２０）前記支持カップ基板の凹陥部内壁面は曲面状であり、前記凹陥部の底部には大気に連通する管路が更に配設されていることを特徴とする請求項１７記載のマイクロ流体デバイス。
（２１）前記支持カップ基板の凹陥部内壁面は曲面状であり、前記支持カップ基板は多孔質材料から形成されており、部材の多孔性により前記凹陥部は大気に連通していることを特徴とする請求項１７記載のマイクロ流体デバイス。
（２２）前記支持カップ基板は中空円筒状のシリンダと、該シリンダ内に挿入され、上端面が平面状のピストンとからなり、前記ピストンが前記シリンダ内を昇降することにより前記ピストンの上端面と前記シリンダの内壁面とにより凹陥部が画成されることを特徴とする請求項１７記載のマイクロ流体デバイス。
（２３）前記支持カップ基板には加熱冷却装置及び温度センサが更に配設されていることを特徴とする請求項１７〜２２の何れかに記載のマイクロ流体デバイス。
（２４）該温度センサは温度制御回路を介して前記加熱冷却装置に接続されていることを特徴とする請求項２３記載のマイクロ流体デバイス。
（２５）前記支持カップ基板は前記メンブレン層から着脱可能に配置されている請求項１７〜２４の何れかに記載のマイクロ流体デバイス。
（２６）前記送液流路形成用の非接着部に対応する位置の前記台座基板の箇所に前記台座基板を貫通する貫通孔が穿設されており、該貫通孔内に昇降可能なピンが挿入されており、該ピンは前記送液流路形成用非接着部が膨隆されたときに創出される送液流路を開閉するための開閉装置として機能することを特徴とする請求項１７記載のマイクロ流体デバイス。
（２７）ＰＣＲ増幅用デバイスとして使用されることを特徴とする請求項１〜２６の何れかに記載のマイクロ流体デバイス。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のマイクロ流体デバイスによれば、以下のような顕著な効果が得られる。
（１）メンブレン層が伸縮性を有するので、メンブレン層の開閉動作流体、特に液体を追従させることが容易であり、一時的な陰圧が生じ難いため、気泡が入り難いマイクロ流体デバイスを実現できる。流体の加熱・冷却時に体積変化が大きい気泡が反応チャンバ内に入り込むと分析や実験などの作業に多大な支障を来すので、気泡が入り難いというのは顕著な効果である。
（２）熱交換の効率が非常に優れている。これは送液の内圧はメンブレン層の機械的強度に加えて、メンブレン層と支持カップ基板の凹陥部との間の摩擦力で補強されるため、メンブレン層が薄くても破裂し難いためである。また、メンブレン層が支持カップ基板の凹陥部内壁面に密着し、隙間が無いので内壁面全てを熱交換に使用できる。例えば、凹陥部の形状を半球状に構成して半球面でメンブレン層と接する表面積は、同一の直径を持つ平面的な円で接する場合の２倍となり、より広い面積で接触させることができ、高効率で反応チャンバ内部の流体温度をコントロールできる。メンブレン層が薄く、接触面積も広いために、メンブレン層の熱伝導率が低くてもマイクロ流体デバイスを構成することが可能であり、デバイスを構成する素材に依存しないと言う点でコスト的にも有利である。
（３）支持カップ基板を交換することにより、マイクロ流体デバイスの寸法はそのままで、反応チャンバの容積を簡単に変更できる。これは支持カップ基板の凹陥部の大きさでメンブレン層の膨張体積（即ち、反応チャンバの容積）が規定されるためである。目的及び用途に応じて、所望の容積の凹陥部を有する支持カップ基板に変更すれば、量産品であるマイクロ流体デバイスの寸法自体は一定でも、相対的に生産台数が少ない装置側の部品を一部変更することで、反応チャンバの容積を変えられるマイクロ流体デバイスを実現できる。更に、支持カップ基板をシリンダとピストンから構成することにより、支持カップ基板を交換しなくても、反応チャンバの容積を任意に連続的に変化させることができる。
（４）支持カップ基板の凹陥部に形成される反応チャンバで液体を加熱する際、蒸発による反応チャンバ内の液体の濃縮（即ち、液量減少）が問題になる。入出力ポートから送液流路を介して加圧を継続する方法をとれば、蒸発等で液量が減少しても、液体は送液流路から反応チャンバに補充され、その結果、メンブレン層の膨張体積は変動せず、凹陥部とメンブレン層との間に隙間も生じない。このため、熱交換効率は常に高い値を維持できる。また、入出力ポートから加圧しながら加熱することにより液体の沸点が上昇し、液体の沸騰を防止できる。また、蒸発は気液界面で発生するが、本発明の反応チャンバは気泡が入り難いため、蒸発が発生する部位が少なくなる。更に、メンブレン層にシリコーンゴムのような水蒸気透過性が高い素材を用いたとしても、表面積の多くを支持カップが密着して覆うため、水蒸気が反応チャンバ外に抜け難く、蒸発が一層抑制される。そのため、本発明のマイクロ流体デバイスはＤＮＡ断片のＰＣＲ増幅用装置として極めて好適である。
（５）入出力ポート、送液流路、開閉バルブ及び反応チャンバ用凹陥部を有するので、本発明のマイクロ流体デバイスは流体制御装置としても使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】（Ａ）は本発明のマイクロ流体デバイスの一例の平面図であり、（Ｂ）は図（Ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った概要断面図である。
【図２】本発明のマイクロ流体デバイスの別の例の概要断面図である
【図３】本発明のマイクロ流体デバイスの使用状態の一例を示す概要断面図である。
【図４】図１〜図３に示された本発明のマイクロ流体デバイス１の動作を説明する部分拡大工程図である。
【図５】（Ａ）は、本発明のマイクロ流体デバイス１で使用できる開閉バルブ２３の一例の概要平面図であり、（Ｂ）は、図（Ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った概要断面図であり、（Ｃ）は開閉バルブ２３の開状態を示す概要断面図である。
【図６】（Ａ）は本発明のマイクロ流体デバイスの別の実施態様を示す概要平面図であり、（Ｂ）は図（Ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った概要断面図であり、（Ｃ）は支持カップ基板７’の平面図であり、（Ｄ）は送液流路が形成された状態を示す概要断面図である。
【図７】図６に示されるマイクロ流体デバイス用の開閉バルブとして機能する昇降ピンが送液流路を閉塞する状態を示す概要断面図である。
【図８】本発明のマイクロ流体デバイスにおける温度制御方法の一例を示す概要ブロック図である。
【図９】（Ａ）は本発明のマイクロ流体デバイスの別の実施態様を示す概要平面図であり、（Ｂ）は図（Ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図１０】本発明のマイクロ流体デバイスの別の実施態様を示す概要平面図である。
【図１１】図１０におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図１２】図１０におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図１３】図１０に示されたマイクロ流体デバイスの更に別の実施態様を示す概要断面図である。
【図１４】（Ａ）は支持カップ基板の別の実施態様を示す概要断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示された支持カップ基板の動作状態を示す概要断面図であり、（Ｃ）は更に別の実施態様の支持カップ基板の概要断面図である。
【図１５】（Ａ）は従来技術によるマイクロ流体デバイスの一例の概要平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った概要断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本発明のマイクロ流体デバイスの好ましい実施態様について詳細に説明する。図１（Ａ）は本発明のマイクロ流体デバイスの一例の平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った概要断面図である。図２は本発明のマイクロ流体デバイスの別の例の概要断面図である。図３は本発明のマイクロ流体デバイス１の使用状態の一例を示す概要断面図である。図４は図１〜図３に示された本発明のマイクロ流体デバイス１の動作を説明する部分拡大工程図である。図５（Ａ）は、本発明のマイクロ流体デバイス１で使用できる開閉バルブ２３の一例の概要平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った概要断面図であり、（Ｃ）は開閉バルブ２３の開状態を示す概要断面図である。図６（Ａ）は本発明のマイクロ流体デバイスの別の実施態様を示す概要平面図であり、（Ｂ）は図（Ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った概要断面図であり、（Ｃ）は支持カップ基板７’の平面図であり、（Ｄ）は送液流路が形成された状態を示す概要断面図である。図７は図６に示されるマイクロ流体デバイス用の開閉バルブとして機能する昇降ピンが送液流路を閉塞する状態を示す概要断面図である。図８は本発明のマイクロ流体デバイスにおける温度制御方法の一例を示す概要ブロック図である。図９（Ａ）は本発明のマイクロ流体デバイスの別の実施態様を示す概要平面図であり、（Ｂ）は図（Ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図１０は本発明のマイクロ流体デバイスの別の実施態様を示す概要平面図である。図１１は図１０におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１２は図１０におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図１３は図１０に示されたマイクロ流体デバイスの更に別の実施態様を示す概要断面図である。図１４（Ａ）は支持カップ基板の別の実施態様を示す概要断面図であり、（Ｂ）は図（Ａ）に示された支持カップ基板の動作状態を示す概要断面図であり、（Ｃ）は更に別の実施態様の支持カップ基板の概要断面図である。
【００１９】
図１（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、本発明のマイクロ流体デバイス１は基本的に、上部硬質基板３と、伸縮性を有するメンブレン層５と、台座基板６と、支持カップ基板７とから構成されている。上部硬質基板３の所定箇所には液体類を出し入れするための入出力ポート１１が配設されており、この入出力ポート１１に連通する送液流路１３が上部硬質基板３の下面側に配設されている。また、上部硬質基板３の下面側には伸縮性を有するメンブレン層５が接着されている。このメンブレン層５の存在により、入出力ポート１１及び送液流路１３の下部側は遮蔽され、非漏液構造にされる。支持カップ基板７の上面側には凹陥部１５が配設されており、この凹陥部１５の底部には管路１７が配設されている。管路１７の一端は大気に開放されている。しかし、必要に応じて管路１７の一端に加圧／吸引手段（図示されていない）を接続することもできる。加圧／吸引手段は例えば、真空ポンプ、シリンジなどである。
【００２０】
図２に示されるように、支持カップ基板７には、マイクロ流体デバイス１の使用目的及び用途（例えば、ＰＣＲ用など）に応じて加熱冷却装置９を配設することもできる。加熱冷却装置９を配設する場合、温度制御用の温度センサ１０も併せて配設することが好ましい。加熱冷却装置９としては、公知慣用の加熱冷却装置を使用できる。加熱源としては、電熱ヒータ、外部から加熱流体を導入するブロック、赤外線、電磁波などを使用できる。冷却源としては、冷却ファン、ヒートパイプによる冷却、外部から冷却流体を導入するブロックなどを使用できる。双方向性の加熱冷却装置としてペルチェ素子を使用することもできる。温度センサ自体は当業者に公知である。例えば、熱電対、サーミスタ、測温抵抗体などである。温度センサ１０としてはサーミスタが好ましい。支持カップ基板７に加熱冷却装置９を配設する場合、支持カップ基板７における熱交換を阻害しないために、台座基板６と支持カップ基板７との間には隙間８を設けることが好ましい。
【００２１】
本発明のマイクロ流体デバイス１では、用途及び目的に応じて凹陥部１５の容積を変更することができるように、支持カップ基板７は着脱可能に構成されていることが好ましい。冷却加熱装置９は支持カップ基板７に着脱可能に構成することもできるし、あるいは接合又は内包して一体化することもできる。また、台座基板６はマイクロ流体デバイス１と一体的に接合することもできるし、又は着脱可能に構成することもできる。本発明のマイクロ流体デバイス１において重要なことは、支持カップ基板７の凹陥部１５に対応する箇所のメンブレン層５が上部硬質基板３の下面側に対して非接着状態に維持されていること、及び送液流路１３の他端が凹陥部１５の端部を越えるように形成することである。図１及び２における符号１６はメンブレン層５の非接着部分を示す。
【００２２】
図３は本発明のマイクロ流体デバイス１の使用状態の一例を示す概要断面図である。本発明のマイクロ流体デバイス１を使用する場合、送液チューブ２２が装着されたアダプター２４を、上部硬質基板３の入出力ポート１１の開口部からポート内に挿入し、液体供給源から所定の圧力で液体を入出力ポート１１内に送入する。送液チューブ２２は圧力（例えば、空気圧）を印加する目的にも使用できる。アダプター２４を使用せず、送液チューブ２２を直接入出力ポート１１に接続しても液体の加圧送入及び空気圧の印加を実施できる場合もある。また、その他の公知慣用の加圧送入手段も使用できる。
【００２３】
図４は図１〜図３に示された本発明のマイクロ流体デバイス１の動作を説明する部分拡大工程図である。先ず、ステップ（１）において、上部硬質基板３と、メンブレン層５とからなる積層体を、上部硬質基板３とメンブレン層５との非接着部１６の位置と支持カップ基板７の凹陥部１５との位置を合わせるように、適当な機械的手段（例えば、バネ、ネジ、クランプ等）（図示されていない）で支持カップ基板７に装着する。支持カップ基板７の凹陥部１５に配設された管路１７の端部は大気に開放した状態のままに維持する。その後、ステップ（２）において、入出力ポート１１（図示されていない）から液体１９を注入し、送液流路１３に満たす。ステップ（３）において、入出力ポート１１（図示されていない）から空気圧を印加すると、非接着部１６のメンブレン層５が伸びて凹陥部１５内に進入し、これに伴い液体１９もメンブレン層５の非接着部の隙間に流れ込んでいく。ステップ（４）において、入出力ポート１１（図示されていない）から空気圧を印加し続けると、流れ込んだ液体が反応チャンバを徐々に創成するようになる。ステップ（５）で、更に入出力ポート１１（図示されていない）から空気圧を印加し続ける。ステップ（６）において、凹陥部１５の内壁面全体にまでメンブレン層５が密着され、反応チャンバ２１が完成された状態を維持しながら、所望の化学反応処理などを行う。図２に示されるような加熱冷却装置９を有する場合、加熱冷却装置で温度コントロールされた支持カップ基板７と反応チャンバ２１内の液体１９との間で熱交換を行い、液体を所定温度にまで加熱／冷却し、ＰＣＲ増幅などに必要な熱サイクルを所定回数分だけ繰り返す。所望の化学反応処理又は所定のＰＣＲ増幅作業が完了したら、次いで、ステップ（７）において、入出力ポート１１（図示されていない）からの空気圧の印加を停止すると、メンブレン層５の自己収縮力により、反応チャンバ２１内の液体は送液流路１３を介して入出力ポート１１（図示されていない）に戻される。必要に応じて、管路１７の端部から空気圧を印加し、反応チャンバ２１内に残っている液体を強制的に入出力ポート１１に戻すこともできる。メンブレン層５を膨張させて反応チャンバ２１を形成するために、入出力ポート１１から印加される空気圧は、使用されるメンブレン層５の伸び率や厚さに応じて変化するが、一般的に、１０ｋＰａ〜２００ｋＰａ程度である。この空気圧の印加により、反応チャンバ２１内の液体の沸点が上昇する。例えば、ゲージ圧４１．９ｋＰａの沸点は１１０℃である。このため、加圧しながら熱交換すると、液体の蒸発を抑制でき、その結果、反応チャンバ２１内の液体濃度を一定の範囲内に維持することができる。
【００２４】
メンブレン層５が伸縮性を有するので、創成される反応チャンバ内の液体は陰圧にならず（すなわち、陽圧を維持できる）、気泡が発生又は混入し難い。また、反応チャンバを形成するメンブレン層５は凹陥部１５の内壁面全体で支持されるので、膜厚が薄くても破れる恐れはない。むしろ、メンブレン層５が薄いことにより伝熱が阻害されず、熱交換に有利である。更に、凹陥部１５の内壁面全体が熱交換に使用できるので、特許文献３の図３Ａに示された従来技術の装置に比べて伝熱面積が著しく大きく、短時間で液体の加熱作業を終えることができ、作業効率が飛躍的に向上する。
【００２５】
本発明のマイクロ流体デバイス１の利点は、上部硬質基板３の入出力ポート１１及び送液流路１３の配設位置のメンブレン層５の殆どが台座基板６によりカバーされるので、入出力ポート１１から加圧しながら液体を送液流路１３を介して支持カップ基板７の凹陥部１５に送液できることである。この場合、凹陥部１５の管路１７から吸引を行う必要が無くなる。即ち、管路１７を大気開放した状態で、入出力ポート１１から加圧しながら液体を送液流路１３を介して支持カップ基板７の凹陥部１５に送液できる。台座基板６を使用せずに、入出力ポート１１から加圧しながら液体を送液流路１３を介して支持カップ基板７の凹陥部１５に送液しようとすると、入出力ポート１１及び送液流路１３の部分の露出されたメンブレン層５が先に膨張してしまい、この部分のメンブレン層５の膨張を拘束する部材がないためにメンブレン層５の膨張が過剰となり、メンブレン層５が破裂してしまう恐れがある。台座基板６と支持カップ基板７との間に隙間８を設けておくことにより、加熱冷却装置９の熱が台座基板６に奪われることが防止されるので、支持カップ基板７から凹陥部１５の反応チャンバ２１への伝熱が台座基板６で阻害されることを阻止できる。
【００２６】
必要に応じて、送液流路１３の途中には開閉バルブを配設することもできる。図５（Ａ）は、本発明のマイクロ流体デバイス１で使用できる開閉バルブ２３の一例の概要平面図であり、図５（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ線に沿った概要断面図である。開閉バルブ２３は弁座２５と弁駆動用凹部２７と、この弁駆動用凹部２７に連通する管路２９とから構成されている。弁座２５は上部硬質基板３に送液流路１３を配設する際に、送液流路１３の途中に、送液流路１３を中断させるように形成することにより配設できる。弁駆動用凹部２７は台座基板６の上面に配設できる。弁駆動用凹部２７の開口部に相当するメンブレン層５の上面と上部硬質基板３の下面側との界面には非接着部１６ａを存在させておくことが必要である。この部分が非接着状態でないとメンブレン層５は開閉弁構成要素として機能することができない。非接着部１６ａの面積は弁駆動用凹部２７の開口部面積以上であることが好ましい。図５（Ｂ）は開閉バルブ２３の閉状態を示す。弁座２５の下面がメンブレン層５の上面に密着することにより送液流路１３は左右に中断され、液体は流通できない。本発明のマイクロ流体デバイス１において、バルブ「閉」という状態は、送液流路１３に圧力がかかっても強制的に遮断できる状態を目的とする。本発明ではメンブレン層５が柔軟なことを特徴とするので、管路２９が大気開放されていても「閉」状態にできるのは、送液流路１３の圧力がかなり小さい場合に限定される。従って、開閉バルブ２３を確実に閉状態にするには、管路２９から圧力を印加し、メンブレン層５を弁座２５に圧接させる必要がある。図５（Ｃ）は、開閉バルブ２３の開状態を示す。送液チューブ２２が装着されたアダプター２４を入出力ポート１１内に挿入し、送液チューブ２２から圧力を印加すると非接着部１６ａのメンブレン層５は弁駆動用凹部２７内に押し込まれ、その結果、弁座２５の下面がメンブレン層５の上面から剥離されて連通空間３１が生じ、矢線で示すように送液流路１３が左右連通する。この場合、管路２９は大気開放状態に維持することが好ましい。しかし、送液圧力を上げたくない場合には、管路２９から真空吸引することもできる。図５（Ａ）に示されるように、弁座２５により中断される送液流路１３の両端部の幅を通常の流路の幅よりも大きくしておくと一層低い圧力でメンブレン層５を弁駆動用凹部２７内に押し込ませることができるという効果が得られる。従って、支持カップ基板７の凹陥部１５の上部に延びる送液流路１３の端部の幅も同様に通常の流路の幅よりも大きくしておくと一層低い圧力でメンブレン層５を凹陥部１５内に押し込ませることができる。開閉バルブの構造は図示された実施態様に限定されない。当業者に公知慣用の開閉バルブを適宜選択して使用することもできる。
【００２７】
図６（Ａ）は本発明のマイクロ流体デバイスの別の実施態様を示す概要平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った概要断面図である。図６（Ａ）及び（Ｂ）に示されたマイクロ流体デバイス１Ａでは、図１及び図２に示されたマイクロ流体デバイス１と異なり、上部硬質基板３の下面側に溝状の送液流路１３が配設されていない。その代わりに、送液流路１３及び支持カップ基板７’の凹陥部１５に対応する位置の上部硬質基板３の下面側に非接着薄膜層１６’が塗布されている。この非接着薄膜層１６’は本願出願人の先願に係る特開２００７−３０９８６８号公報に記載されるようなフルオロカーボンなどから形成することができる。溝状の送液流路１３の代わりに非接着薄膜層１６’を使用する場合、図６（Ｂ）に示されるように、台座基板６の上面に膨隆したメンブレン層５を収容するための溝３３と、支持カップ基板７’の所定箇所に凹陥部１５に連通するメンブレン層５のための逃げ溝１８を配設する必要がある。図６（Ｃ）は支持カップ基板７’の平面図である。逃げ溝１８は支持カップ基板７’の上面に凹陥部１５の開口部と連通するように配設される。図６（Ｄ）に示されるように、入出力ポート１１側から加圧すると、非接着薄膜層１６’が存在する位置に対応する箇所のメンブレン層５が膨隆し、送液流路１３’が創出され、同時に、支持カップ基板７’の凹陥部１５の内壁面に沿ってメンブレン層５が密着し、反応チャンバ２１が形成される。符号３５はこのマイクロ流体デバイス１Ａで使用できる開閉バルブ用の昇降ピンを示す。図７に示されるように、ピン３５を上昇させると、ピン３５によりメンブレン層５が突き上げられ送液流路１３が閉塞される。ピン３５を下降させれば、図６（Ｄ）の状態に戻すことができる。
【００２８】
本発明のマイクロ流体デバイス１等を用いてＰＣＲ増幅などを自動操作で行う場合、図８に示されるように、支持カップ基板７に温度センサ１０を内蔵させ、温度センサ１０からの検出信号を温度制御回路３９に送信する。温度制御回路３９内には温度制御に必要なメモリ、ＣＰＵ、加熱冷却装置ＯＮ／ＯＦＦ回路など任意の素子が実装されている。温度制御回路３９は演算結果に基づき制御信号を加熱冷却装置９に送信し、加熱冷却装置９の動作を制御し、ＰＣＲ増幅のための温度コントロールを実行する。
【００２９】
本発明のマイクロ流体デバイス１における上部硬質基板３は、十分な剛性を有し、反応チャンバ２１の内圧で変形する量が少ないことが必要であり、また、使用されるメンブレン層５と接着部及び非接着部を選択して接着可能であり、更に、入出力ポート１１及び送液流路１３などを機械加工などの公知慣用の手段で形成可能でなければならない。剛性に関しては、ヤング率が１００ＭＰａ以上、より好ましくは１ＧＰａ以上の材料が望ましい。ヤング率の上限値は１０００ＧＰａ程度である。ヤング率が１００ＭＰａ未満の材料（例えば、ＰＤＭＳ）を使用した場合、反応チャンバ２１に対応する位置の上部硬質基板３の厚みをメンブレン層の厚みの５倍以上、より好ましくは２０倍以上にする必要がある。別法として、ヤング率の大きな別の材料で、当該上部硬質基板３を補強することもできる。１０００ＧＰａ超の材料を使用しても特別な利点は無い。特に限定的な意味ではないが、反応チャンバ２１の内圧により上部硬質基板３が変形する量が、反応チャンバ２１に充填したい液体の体積に比べて十分に小さく、誤差として許容し得る範囲か否か確認しておくことが望ましい。このような目的に適した材料は例えば、ガラス、シリコン、セラミック類、プラスチック類又は金属類などである。前記プラスチック類は例えば、セルロースエステル基体、ポリエステル基体、ポリカーボネート基体、ポリスチレン基体、ポリオレフィン基体等である。更に具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、セロファン、セルロースジアセテート、セルロースアセテートブチレート、セルロースアセテートプロピオネート、セルロースアセテートフタレート、セルローストリアセテート、セルロースナイトレート、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、エチレンビニルアルコール、ポリカーボネート、ノルボルネン樹脂、ポリメチルペンテン、ポリエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトンイミド、ポリアミド、フッ素樹脂、ナイロン、ポリメチルメタクリレート、アクリル、ポリアリレート、ポリ乳酸樹脂、ポリブチレンサクシネート、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などのようなシリコーンゴムなどが挙げられる。これらのプラスチック類は単独で使用することもできるし、あるいは２種類以上を併用することもできる。前記金属類は例えば、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、マグネシウム、チタン、金、銀、タングステン、鉛、亜鉛、クロム、カドミウム、コバルトおよびそれらを含む合金類（例えば、ジュラルミン、ステンレス又は黄銅など）が挙げられる。加工のし易さ、コスト及び必要十分な剛性が得られる点から、上部硬質基板３は、アクリルなどのプラスチック類からなることが好ましい。
【００３０】
本発明のマイクロ流体デバイス１におけるメンブレン層５は、前記の選択された上部硬質基板３と、接着部と非接着部とを選択して接着可能であること、支持カップ基板７の凹陥部１５の内壁面に沿って隙間無く沿うように膨らむことができる柔軟性や伸縮性を有すこと、及び反応チャンバ２１内に液体を導入して伸びたメンブレン層の塑性変形分が小さく、反応チャンバ２１内の液体を排出した際にメンブレン層が元通りに復元し、弛みがのこらないことが必要である。
【００３１】
メンブレン層５の形成材料としては、メンブレン層を膨らませる力が小さくても動作するため、ヤング率は１ＧＰａ未満であればよく、好ましくは５０ＭＰａ以下が好適である。メンブレン層５のヤング率の下限値は５０ｋＰａである。ゴム材の場合、硬さの評価としてＪＩＳゴム硬さを使用することが多いが、その場合、ＪＩＳ硬さ１０〜１００度程度であることが好ましい。メンブレン層５が支持カップ基板７の凹陥部１５の内壁面に沿って隙間無く沿い、排出時にメンブレン層５の弛みを残さないため、伸び率は１０％以上であることが好ましい。一層好ましい伸び率は１００％以上である。伸び率の上限値は２０００％程度である。伸び率の大きなメンブレン層を使用することにより、開口が小さく、深い反応チャンバ２１を形成できるので、マイクロ流体デバイスを小型化できるという利点がある。
【００３２】
メンブレン層５の厚みは薄いほど好ましく、特に支持カップ基板７の凹陥部１５の内壁面を通じて反応チャンバ２１内の液体１９と熱交換を行うためにも極力薄いことが好ましい。過剰な内圧に対しては、支持カップ基板７とメンブレン層５との間の摩擦でメンブレン層５が補強されるため、薄くしても高い内圧で使用できる。メンブレン層５の厚みは１μｍ〜１ｍｍの範囲内であるが、１０μｍ〜２００μｍの範囲内が特に好ましい。
【００３３】
メンブレン層５としては例えば、エラストマーが好ましい。使用温度にもよるが、熱可塑性エラストマーを使用できる場合もある。エラストマーとしては例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などのようなシリコーンゴムの他、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、フッ素ゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロプレンゴム、アクリルゴム、ブチルゴム、ウレタンゴム、クロロスルフォン化ポリエチレンゴム、エピクロルヒドリンゴム、天然ゴム、イソプレンゴム、スチレンブタジエンゴム、ブタジエンゴム、多硫化ゴム、ノルボルネンゴムなどが挙げられる。ゴム硬さ、伸び率、耐熱性、耐薬品性及び上部硬質基板３との接着性の観点から、メンブレン層５の形成材料としてはシリコーンゴムが特に好ましい。
【００３４】
本発明のマイクロ流体デバイス１における支持カップ基板７は、十分な剛性を有し、反応チャンバ２１の内圧で変形する量が少なく、凹陥部１５及びエアベント用の管路１７を配設するための機械加工が可能であるか、又は管路１７の代わりに支持カップ基板７に多孔質構造の素材を用いカップ内外で流体の流通が可能であること、及び反応チャンバ２１内の液体と熱交換を行う場合には熱伝導率が高いことが必要である。
【００３５】
支持カップ基板７の形成材料としては、剛性に関しては、ヤング率が１００ＭＰａ以上、より好ましくは１ＧＰａ以上の材料が望ましい。ヤング率の上限値は１０００ＧＰａ程度である。特に限定的な意味ではないが、反応チャンバ２１の内圧により支持カップ基板７が変形する量が、反応チャンバ２１に充填したい液体１９の体積に比べて十分に小さく、誤差として許容し得る範囲か否か確認しておくことが望ましい。反応チャンバ２１内の液体１９と熱交換を行う場合、熱伝導率の大きな材料を用いると、温度制御の効率が向上するので好ましい。熱伝導率は１Ｗ／ｍＫ以上であれば良く、好ましくは１０Ｗ／ｍＫ以上であれば好適である。熱伝導率の上限値は２０００Ｗ／ｍＫ程度である。支持カップ基板７に適した形成材料は例えば、ガラス、シリコン、セラミック類、プラスチック類又は金属類などである。前記プラスチック類は例えば、セルロースエステル基体、ポリエステル基体、ポリカーボネート基体、ポリスチレン基体、ポリオレフィン基体、等で、具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、セロファン、セルロースジアセテート、セルロースアセテートブチレート、セルロースアセテートプロピオネート、セルロースアセテートフタレート、セルローストリアセテート、セルロースナイトレート、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、エチレンビニルアルコール、ポリカーボネート、ノルボルネン樹脂、ポリメチルペンテン、ポリエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトンイミド、ポリアミド、フッ素樹脂、ナイロン、ポリメチルメタクリレート、アクリル、ポリアリレート、ポリ乳酸樹脂、ポリブチレンサクシネートなどが挙げられる。これらのプラスチック類は単独で使用することもできるし、あるいは２種類以上を併用することもできる。前記金属類は例えば、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、マグネシウム、チタン、金、銀、タングステン、鉛、亜鉛、クロム、カドミウム、コバルトおよびそれらを含む合金類（例えば、ジュラルミン、ステンレス又は黄銅など）が挙げられる。支持カップ基板７は多孔質部材であることもできる。支持カップ基板７が多孔質部材からなる場合、その多孔性により支持カップ基板７全体が大気に開放されていることとなるので、管路１７を設けなくてもメンブレン層５を凹陥部１５内に膨入させることができる。加工性及び熱伝導率の観点から、支持カップ基板７はジュラルミン等の金属材料からなることが好ましい。
【００３６】
台座基板６は任意の材料から形成することができる。所望ならば、台座基板６は上部硬質基板３又は支持カップ基板７の形成材料と同一の材料から形成することもできる。
【００３７】
上部硬質基板３の下面側に配設される送液流路１３又は１３’の寸法は、液体１９を反応チャンバ２１に導入又は排出している状態で、幅は０．１μｍ〜５ｍｍ、深さは０．１μｍ〜５ｍｍであればよく、好ましくは、幅は５０μｍ〜５００μｍ、深さは５μｍ〜３００μｍの範囲内である。送液流路として上部硬質基板３に加工した溝を用いる場合、溝の内部に残る空気が反応チャンバ２１に気泡として入るため、溝幅、溝深さ及び溝長さ共に、加工コストが許す限り、小さいことが好ましい。送液流路の断面形状は矩形、半円形、多角形又はこれらの組合せ形状などであることができる。
【００３８】
支持カップ基板７の凹陥部１５の開口部の形状は例えば、真円形、楕円形、矩形、多角形など様々な形状を採り得る。凹陥部１５の底面は平面状又は曲面状であることができる。凹陥部１５の内壁面が角の無い滑らかな連続的な曲面状である場合、メンブレン層５を凹陥部１５内に隙間無く均一に膨らませ、かつ凹陥部１５の内壁面からメンブレン層５に均一な伝熱が行える。凹陥部１５の開口部面積と深さは、形成すべき反応チャンバの容積を考慮して決定することができる。また、凹陥部１５の内壁面表面を滑らかにし、メンブレン層５との密着性を高め、熱交換の効率を上げるために、凹陥部１５の内壁面表面をスパッタ、蒸着、メッキ等の公知慣用の方法で、金属膜、ガラス質膜、ダイヤモンド膜などをコーティングすることもできる。
【００３９】
支持カップ基板７の凹陥部１５の位置に対応するメンブレン層５と上部硬質基板３との界面に配設される非接着部１６の形状及び台座基板６の弁駆動用凹部２７の位置に対応するメンブレン層５と上部硬質基板３との界面に配設される非接着部１６ａは、メンブレン層５が均一に伸びるために真円形が望ましいが、楕円形、矩形、多角形およびこれらの組合せ形状などから適宜選択できる。非接着部１６及び１６ａの面積は凹陥部１５及び弁駆動用凹部２７の開口部の面積と同一であるか、又は大きいことが好ましい。非接着部１６及び１６ａの面積が凹陥部１５の開口部の面積及び弁駆動用凹部２７の開口部の面積よりも大きいと、非接着部と開口部との位置合わせがずれても非接着部のエッジが凹部のエッジを内包している範囲内であればメンブレン層５の膨張体積は一定なため、非接着部１６と凹陥部１５との位置合わせ及び非接着部１６ａと弁駆動用凹部２７との位置合わせに精度を必要としないばかりか、動作不良が起きる可能性を軽減する。非接着部１６及び１６ａは、例えば、凹陥部１５及び弁駆動用凹部２７に対応する位置の周辺部分だけ上部硬質基板３の下面側又はメンブレン層５の上面側に接着剤を塗布しないでおくか又はエキシマＵＶ光などにより選択的改質処理を行うか、あるいは本願出願人の先願に係る特開２００７−３０９８６８号公報に記載されるようなフルオロカーボンなどからなる非接着薄膜層を上部硬質基板３の下面側又はメンブレン層５の上面側に配設することによっても形成できる。上部硬質基板３の形成材料がガラス又はＰＤＭＳで、メンブレン層５がＰＤＭＳなどのシリコーンゴムである場合、ＰＤＭＳはガラス又はＰＤＭＳに恒久接着するが、エキシマＵＶ光によりＰＤＭＳ面の所定箇所を選択的に改質処理すると、改質処理された部分とされていない部分に、接着部分と非接着部分とを創り出すことができきる。非接着部分を形成する方法として、前記以外の公知慣用の方法も本発明において全て使用できる。
【００４０】
図９（Ａ）は本発明のマイクロ流体デバイスの別の実施態様を示す概要平面図であり、（Ｂ）は図（Ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った概要断面図である。図１〜図８に示された本発明のマイクロ流体デバイスは１個の入出力ポートから送入された液体は支持カップ基板７の１個の凹陥部により形成される反応チャンバ２１から元の入出力ポートに送り返されて取り出されるピストン輸送的使用方法しかできないが、図９に示されたマイクロ流体デバイス１Ｂは支持カップ基板７の１個の凹陥部１５に対して両側に２個の入出力ポート１１ａ及び１１ｂを有する。第１の入出力ポート１１ａから支持カップ基板７の１個の凹陥部１５に連通する第１の送液流路１３ａの途中には第１の開閉バルブ２３ａが配設されており、また、第２の入出力ポート１１ｂから支持カップ基板７の１個の凹陥部１５に連通する第２の送液流路１３ｂの途中には第２の開閉バルブ２３ｂが配設されている。このような構成によりマイクロ流体デバイス１Ｂは多種多様な使用方法に適用できる。例えば、第１の入出力ポート１１ａから検体を送入し、第２の入出力ポート１１ｂから反応試薬を送入し、支持カップ基板７の凹陥部１５により形成される反応チャンバ２１内で化学反応を行わせ、必要に応じて加熱冷却処理も施し、何れかの入出力ポートから反応生成物を取り出すことができる。又は、第１の入出力ポート１１ａから検体を送入し、支持カップ基板７の凹陥部１５により形成される反応チャンバ２１内で所定の加熱・冷却サイクルに従ってＰＣＲ増幅処理を行い、第２の入出力ポート１１ｂから増幅産物を取り出すこともできる。
【００４１】
図１０は本発明のマイクロ流体デバイスの別の実施態様を示す概要平面図である。図１１は図１０におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１２は図１０におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図１０に示されたマイクロ流体デバイス１Ｃは、入力ポート４０を１個だけ有する。入力ポート４０に連通する送液流路１３は、それぞれ上流側送液流路１３−１ｕ，１３−２ｕ，及び１３−３ｕの３本に分岐されている。各分岐送液流路１３−１ｕ，１３−２ｕ，及び１３−３ｕの途中には開閉バルブ２３−１ｕ，２３−２ｕ及び２３−３ｕがそれぞれ配設されている。開閉バルブ２３−１ｕ，２３−２ｕ及び２３−３ｕの下流側は支持カップ基板７’の各凹陥部１５−１，１５−２及び１５−３にそれぞれ至る。各凹陥部１５−１，１５−２及び１５−３の出口側には、下流側送液流路１３−１ｄ，１３−２ｄ，及び１３−３ｄがそれぞれ配設されている。各下流側送液流路１３−１ｄ，１３−２ｄ，及び１３−３ｄの途中には開閉バルブ２３−１ｄ，２３−２ｄ及び２３−３ｄがそれぞれ配設されている。各下流側送液流路１３−１ｄ，１３−２ｄ，及び１３−３ｄの終端部は各出力ポート４２−１，４２−２及び４２−３にそれぞれ接続されている。図１０に示されるように、開閉バルブ２３−１ｕ，２３−２ｕ及び２３−３ｕと２３−１ｄ，２３−２ｄ及び２３−３ｄは全て図５に示された構造と同一の構造を有する。
【００４２】
図１２に示されるように、支持カップ基板７’は凹陥部１５−１〜１５−３を全て同一基板内に有するが、加熱冷却装置９−１，９−２及び９−３はそれぞれ独立的に配設されている。これは各凹陥部に対応する反応チャンバ毎に異なった加熱温度を適用できるようにするためである。各凹陥部に対応する反応チャンバ毎に適用される加熱温度が他の反応チャンバに悪影響を及ぼさないようにするため、支持カップ基板には各隣接する凹陥部の間に断熱用の隙間４４が配設されている。支持カップ基板は図示されたような一体的な形態に限定されない。図１３に示されるように、各分岐送液流路毎に独立して支持カップ基板７’−１〜７’−３を配設することもできる。
【００４３】
図１〜３に示された単独のマイクロ流路デバイス１と異なり、図１０〜図１３に示される３連式のマイクロ流路デバイス１Ｃの利点は、同一の検体に対して異なる試薬と化学反応させたり、あるいは異なる温度でＰＣＲ増幅を実施させることができることである。そのため、入力ポートは１個であるが、各生成物を取り出すための出力ポートが３個設けてある。しかし、必ずしも出力ポートを配設する必要は無い。開閉バルブ２３−１ｕ〜２３−３ｕを操作することにより凹陥部１５−１〜１５−３に対応する各反応チャンバから各反応生成物などを１個の入力ポートから取り出すこともできるからである。また、別の使用形態として、３つの支持カップ基板の凹陥部１５の体積を変えるだけで、異なる体積でも反応させることができる。更に別の使用形態として、３個のポートを逆に３種類の異なる各試薬、検体又は溶液などの入力ポートとして使用し、初めに開閉バルブ２３−１ｄ〜２３−３ｄ及び２３−１ｕ〜２３−３ｕを閉じてからポート４０、４２−１〜４２−３を加圧し、次に先に開閉バルブ２３−１ｄ〜２３−３ｄを開けて３個のポート４２−１〜４２−３から３つの凹陥部１５−１〜１５−３に対応する各反応チャンバに別々の液体を導入し、それらの液体がメンブレン層を膨らませて反応チャンバを創成するが、支持カップ基板の凹陥部全内壁面にメンブレン層が密着する前に、開閉バルブ２３−１ｄ〜２３−３ｄを閉じ、その後開閉バルブ２３−１ｕ〜２３−３ｕを開けて、入力ポート４０から試薬、検体又は溶液などを３つの凹陥部１５−１〜１５−３に対応する各反応チャンバに支持カップ基板の凹陥部全内壁面にメンブレン層が密着するまで導入し、各反応チャンバで異なる反応を実施させることもできる。多連式のマイクロ流路デバイスとしては、図示された３連式に限定されず、２連以上の任意の連数の多連式マイクロ流路デバイスを使用することができる。
【００４４】
図１４（Ａ）は本発明のマイクロ流体デバイス１で使用できる支持カップ基板の別の実施態様の概要断面図であり、図１４（Ｂ）はその動作状態を示す概要断面図であり、図１４（Ｃ）は支持カップ基板の更に別の実施態様の部分概要断面図である。図１４（Ａ）を参照する。この実施態様における支持カップ基板７’はシリンダ４６と、該シリンダ内に挿入されたピストン４８とからなる。ピストン４８の上端面は平面状である。所望により、ピストン４８内に加熱冷却装置９及び温度センサ１０を内蔵させることができる。しかし、加熱冷却装置９及び温度センサ１０はシリンダ４６側に配設することもできる。シリンダ４６とピストン４８を使用することにより、支持カップ基板自体を交換しなくても、支持カップ基板７’の凹陥部１５’の容積を自在に変化させることができる。図１４（Ｂ）に示されるように、支持カップ基板７’を構成するシリンダ４６内に、上端面が平面状のピストン４８を挿入し、支持カップ基板７’の上面より下の位置にピストン４８の上端が来るように位置を調整すると、シリンダ４６の開口部とピストン４８の上端面で凹陥部１５’を形成できる。このピストン４８を上下動させることで凹陥部１５’の体積を可変することができ、送液時の反応チャンバ２１の体積も可変させられる。更に、図１３（Ａ）に示されるように、ピストン４８を支持カップ基板７’の上面まで上昇させることで、反応チャンバ２１の体積をゼロにする、つまり、反応チャンバからの完全な排液が可能になる。凹陥部体積が固定された支持カップ基板では、反応チャンバ２１内の液体を排出する際、排出する液量を制御することが難しいが、図１４（Ａ）に示されるような、シリンダ４６とピストン４８の組合せならば、ピストン４８を昇降させれば凹陥部１５’の体積を連続的に可変させられるため、可変反応チャンバ２１と接続された送液流路１３に、可変反応チャンバ２１内の液体の一部のみを定量的に排出することが可能になる。ピストン４８の昇降には公知慣用のＺステージ５０を使用することができる。シリンジ４６とピストン４８の界面に隙間５２を設けておけば、凹陥部１５’の空気を逃がすことができるのでピストン４８に管路を設けなくてもよい。しかし、ピストン４８に管路１７を設けることもできる。
【００４５】
別法として、図１４（Ｃ）に示されるように、ピストン４８の上端面を平面状ではなく、凹曲面状にすることもできる。ピストン４８の上端面を凹曲面状にすると、メンブレン層５とピストン４８の上端面との接触面積を増大させることが可能であり、熱交換効率が高められる。但し、凹曲面状上端面の場合、凹陥部１５’の体積をゼロとすることはできないので、反応チャンバ２１内の液体を完全に排出したい場合には、ピストン４８に加圧用の管路１７を配設し、管路１７から空気圧を印加して強制排出させなければならない。
【００４６】
メンブレン層５はシリンダ４６とピストン４８の両方に接触して反応チャンバ２１内の液体と熱交換を行う場合、シリンダ４６とピストン４８の界面の隙間は極力小さいことが望ましい。所望により、シリンダ４６とピストン４８の界面に熱伝導性グリースを塗布して隙間５２を埋め、加熱冷却装置９の熱をシリンダ４６とピストン４８の両方に効率よく伝熱できるようにすることもできる。この場合、ピストン４８に大気開放用の管路１７を設けることが好ましい。
【００４７】
図１４に示されるシリンダ４６とピストン４８により凹陥部１５’の容積を自在に変更することができる支持カップ基板７’は図９及び図１０に示されるようなマイクロ流体デバイスで使用するのに好適である。例えば、図９に示されるようなマイクロ流体デバイスの場合、第１の入出力ポート１１ａから容量５μＬの検体を送入する際、初めに開閉バルブ２３ａ，２３ｂを閉じ、入出力ポート１１ａ、１１ｂを加圧した後、凹陥部１５’の容積が５μＬになるようにピストン４８を下降させておき、開閉バルブ２３ａを開け、検体送入後に、開閉バルブ２３ａを閉じ、開閉バルブ２３ｂを開け、第２の入出力ポート１１ｂから反応試薬を送入する際、ピストン４８を更に下降させて凹陥部１５’の容積を例えば１０μＬに拡大しておけば、容量５μＬの反応試薬を、部品交換などの煩雑な操作無く、定量的に凹陥部１５’に対応する反応チャンバ２１に追加送液することができる。また、反応チャンバ２１内の反応生成物を例えば、数μＬ毎に数回に分けて何れかのポートから取り出すこともできる。
【実施例１】
【００４８】
図３に示されるような構成のマイクロ流体デバイス１を使用し、入出力ポート１１から支持カップ７の凹陥部１５に向けて送液して反応チャンバ２１を形成できるか試験した。
（１）マイクロ流体デバイスの構成
上部硬質基板３としては厚さ６ｍｍ、ヤング率２５００ＭＰａのポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）樹脂板を使用した。上部硬質基板３に穿設された入出力ポート１１の内径は２．５ｍｍ、深さは６ｍｍ、内容積は２９．４μＬであった。上部硬質基板３の下面側に配設された送液流路１３の幅は０．３ｍｍ、深さは０．１５ｍｍ、長さは４１ｍｍ、流路容積は１．８μＬであった。メンブレン層５としては、厚さ０．１ｍｍ、伸び率２００％、ヤング率１４．２ＭＰａのシリコーンゴムを使用した。メンブレン層５のシリコーンゴム膜は上部硬質基板３の下面側に接着させたが、支持カップ基板の凹陥部１５に対応する箇所は接着させなかった。この選択的接着は、ＰＭＭＡの接着面をシラン処理し、シリコーンゴム膜の非接着部としたい箇所をマスキングし、接着させたい箇所だけ反応性イオンエッチング装置内で酸素プラズマにより表面改質処理し、その後、ＰＭＭＡの処理面側とシリコーンゴム膜の処理面側を貼り合わせることにより行われた。台座基板６としては上部硬質基板３と同じＰＭＭＡ樹脂板を使用した。支持カップ基板７としてはアルミ合金ＡＮＰ７９を使用し、その上面には開口部直径３．７ｍｍ、深さ１．２０ｍｍ、Ｒ２．０の略球面皿状の凹陥部１５が形成されていた。凹陥部１５の底部には直径０．８ｍｍの管路１７が配設されていた。また、支持カップ基板７には温度測定用のサーミスタ１０が挿入されていた。支持カップ基板７の下面側に加熱冷却装置９としてペルチェ素子を装着した。サーミスタ１０とペルチェ素子９とを温度制御回路３９を介して接続した。入出力ポート１１に、送液チューブ２２が装着されたアダプター２４を挿入した。
（２）送液試験
送液チューブ２２から青色インクを入出力ポート１１に送入し、ポート１１と送液流路１３を満たした。送液チューブ２２から４０ｋＰａの圧力で空気圧を印加し続けると、支持カップ基板７の凹陥部１５の箇所に対応する非接着部分１６のメンブレン層５が徐々に凹陥部１５内に膨らみ出し、最後には凹陥部１５全体に及ぶまで膨張し、反応チャンバ２１が完全に形成されるのが青色インク液体で確認できた。ペルチェ素子を駆動させ、反応チャンバ２１内の青色インクを加熱及び冷却した。その後、加圧を停止すると、凹陥部１５内に膨張していたメンブレン層５が収縮し、反応チャンバ２１内の青色インクが入出力ポートにまで戻されてくるのが確認できた。この後、凹陥部下部の管路１７から空気圧を５０ｋＰａ印加すると、送液流路１３内の全ての青色インクがマイクロ流体デバイス外へ排出された。
【実施例２】
【００４９】
図５に示されるような構成のマイクロ流体デバイス１を使用し、プラスミドＤＮＡによるＰＣＲ増幅試験を行った。
（１）マイクロ流体デバイスの構成
上部硬質基板３としては厚さ６ｍｍ、ヤング率２５００ＭＰａのポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）樹脂板を使用した。上部硬質基板３に穿設された入出力ポート１１の内径は２．５ｍｍ、深さは６ｍｍ、内容積は２９．４μＬであった。上部硬質基板３の下面側に配設された送液流路１３の幅は０．３ｍｍ、深さは０．１５ｍｍ、長さは４１ｍｍ、流路容積は１．８μＬであった。送液流路１３の途中に幅０．６ｍｍ、長さ０．６ｍｍの拡大部を間隔０．４ｍｍで互いに対峙するように設けることにより弁座２５を形成し送液流路１３を左右に２分した。台座基板６としては上部硬質基板３と同じＰＭＭＡ樹脂板を使用した。前記弁座２５に対応する位置の台座基板６の上面には直径２ｍｍ、深さ０．３ｍｍ、Ｒ１．５ｍｍの略球面皿状の弁駆動用凹部２７が形成されていた。メンブレン層５としては、厚さ０．１ｍｍ、伸び率２００％、ヤング率１４．２ＭＰａのシリコーンゴムを使用した。メンブレン層５のシリコーンゴム膜は上部硬質基板３の下面側に接着させたが、支持カップ基板の凹陥部１５に対応する箇所及び台座基板３の弁駆動用凹部２７に対応する箇所は接着させなかった。この選択的接着は、ＰＭＭＡの接着面をシラン処理し、シリコーンゴム膜の非接着部としたい箇所をマスキングし、接着させたい箇所だけ反応性イオンエッチング装置内で酸素プラズマにより表面改質処理し、その後、ＰＭＭＡの処理面側とシリコーンゴム膜の処理面側を貼り合わせることにより行われた。支持カップ基板７としてはアルミ合金ＡＮＰ７９を使用し、その上面には開口部直径３．７ｍｍ、深さ１．２０ｍｍ、Ｒ２．０の略球面皿状の凹陥部１５が形成されていた。凹陥部１５の底部には直径０．８ｍｍの管路１７が配設されていた。また、支持カップ基板７には温度測定用のサーミスタ１０が挿入されていた。支持カップ基板７の下面側に加熱冷却装置９としてペルチェ素子を装着した。サーミスタ１０とペルチェ素子９とを温度制御回路３９を介して接続した。入出力ポート１１に、送液チューブ２２が装着されたアダプター２４を挿入した。
（２）送液手順
ＰＣＲ溶液１２μＬを入出力ポート１１に分注した。次に、弁駆動用凹部２７と連通する管路２９に１００ｋＰａの圧力の空気圧を印加し、弁駆動用凹部２７上のメンブレン層５を弁座２５に押し付けた。支持カップ基板７の凹陥部１５と連通する管路１７は大気開放とした。この状態で入出力ポート１１から５０ｋＰａの圧力の空気圧を印加したが、ＰＣＲ溶液は開閉バルブ２３を通過することはなく、開閉バルブ２３で送液を遮断できることを確認した。この状態で弁駆動用凹部２７と連通する管路２９を大気開放したところ、メンブレン層５が弁駆動用凹部２７内に押し込まれて開閉バルブ２３が開き、ＰＣＲ溶液は送液流路１３から支持カップ基板７の凹陥部１５上部のメンブレン層５に至り、このメンブレン層５を徐々に膨張させながら凹陥部１５全体に及ぶ反応チャンバ２１が形成された。入出力ポート１１から５０ｋＰａの圧力の空気圧を印加し続けながら、温度制御回路３９に予めプログラムされた加熱サイクルに従ってＰＣＲ溶液を加熱し、ＰＣＲ増幅を行った。ＰＣＲ溶液は2X PrimeSTAR（登録商標）Max２５μＬ、Template（プラスミドDNA  pUC18，10μg/mL)２μＬ、Primer-F(10μM)１μＬ、Primer-R(10μM)１μＬの混合液に滅菌蒸留水を追加混合し、５０μＬとしたものから１２μＬを採取して使用した。加熱サイクルは初期熱変性１０２℃３０秒の後、熱変性１０２℃１５秒、アニーリング５３℃１５秒、伸長７２℃１５秒の３ステップを３０サイクル行った後、３０℃３０秒でマイクロ流体デバイス１を冷却した。マイクロ流体デバイス１を冷却後、入出力ポート１１を大気開放し、支持カップ基板７の管路１７から凹陥部１５底部に向かって５０ｋＰａの圧力の空気圧を印加し、反応チャンバ２１内のＰＣＲ産物を入出力ポート１１に押し戻し、マイクロピペットで回収し、下記の電気泳動試験のために保存した。ＰＣＲ溶液の分注から回収までの時間は３０分５２秒であった。回収した液量は全体で１０μＬであった。送液流路１３内部や入出力ポート１１に残った液量が１〜２μＬあると考えられるため、蒸発による液量は無視できるレベルと考えられる。なお、反応チャンバ２１内の体積は約６μＬであるため、回収した液体には加熱サイクルを経ていないＰＣＲ溶液も含まれているものと思われる。
（３）電気泳動試験
回収したＰＣＲ産物から９μＬをＳＶ１１００（日立電子エンジニアリング株式会社製）で電気泳動し、装置付属のソフトウェアでＰＣＲ産物の鎖長と濃度を測定した。ＰＣＲ増幅産物の鎖長はプライマーの設計と一致し、ＰＣＲ産物の増幅量も１７．６ｎｇ／μＬと高い濃度が得られた。これにより、本発明のマイクロ流体デバイスでＤＮＡ検体を申し分なくＰＣＲ増幅できることが裏付けられた。
【実施例３】
【００５０】
図５に示されるような構成のマイクロ流体デバイス１を使用し、ヒトＤＮＡによるＰＣＲ増幅試験を行った。
（１）マイクロ流体デバイスの構成
上部硬質基板３としては厚さ６ｍｍ、ヤング率２５００ＭＰａのポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）樹脂板を使用した。上部硬質基板３に穿設された入出力ポート１１の内径は２．５ｍｍ、深さは６ｍｍ、内容積は２９．４μＬであった。上部硬質基板３の下面側に配設された送液流路１３の幅は０．３ｍｍ、深さは０．１５ｍｍ、長さは４１ｍｍ、流路容積は１．８μＬであった。送液流路１３の途中に幅０．６ｍｍ、長さ０．６ｍｍの拡大部を間隔０．４ｍｍで互いに対峙するように設けることにより弁座２５を形成し送液流路１３を左右に２分した。台座基板６としては上部硬質基板３と同じＰＭＭＡ樹脂板を使用した。前記弁座２５に対応する位置の台座基板６の上面には直径２ｍｍ、深さ０．３ｍｍ、Ｒ１．５ｍｍの略球面皿状の凹部２７が形成されていた。メンブレン層５としては、厚さ０．１ｍｍ、伸び率２００％、ヤング率１４．２ＭＰａのシリコーンゴムを使用した。メンブレン層５のシリコーンゴム膜は上部硬質基板３の下面側に接着させたが、支持カップ基板の凹陥部１５に対応する箇所及び台座基板３の凹部２７に対応する箇所は接着させなかった。この選択的接着は、ＰＭＭＡの接着面をシラン処理し、シリコーンゴム膜の非接着部としたい箇所をマスキングし、接着させたい箇所だけ反応性イオンエッチング装置内で酸素プラズマにより表面改質処理し、その後、ＰＭＭＡの処理面側とシリコーンゴム膜の処理面側を貼り合わせることにより行われた。支持カップ基板７としてはアルミ合金ＡＮＰ７９を使用し、その上面には開口部直径３．７ｍｍ、深さ１．２０ｍｍ、Ｒ２．０の略球面皿状の凹陥部１５が形成されていた。凹陥部１５の底部には直径０．８ｍｍの管路１７が配設されていた。また、支持カップ基板７には温度測定用のサーミスタ１０が挿入されていた。支持カップ基板７の下面側に加熱冷却装置９としてペルチェ素子を装着した。サーミスタ１０とペルチェ素子９とを温度制御回路３９を介して接続した。入出力ポート１１に、送液チューブ２２が装着されたアダプター２４を挿入した。
（２）送液手順
ＰＣＲ溶液１２μＬを入出力ポート１１に分注した。入出力ポート１１から５０ｋＰａの圧力の空気圧を印加すると、メンブレン層５が凹部２７内に押し込まれて開閉バルブ２３が開き、ＰＣＲ溶液は送液流路１３から支持カップ基板７の凹陥部１５上部のメンブレン層５に至り、このメンブレン層５を徐々に膨張させながら凹陥部１５全体に及ぶ反応チャンバ２１が形成された。入出力ポート１１から５０ｋＰａの圧力の空気圧を印加し続けながら、温度制御回路３９に予めプログラムされた加熱サイクルに従ってＰＣＲ溶液を加熱し、ＰＣＲ増幅を行った。ＰＣＲ溶液は2X PrimeSTAR（登録商標）Max２５μＬ、Template（ヒトDNA  K562，452μg/mL)２μＬ、Primer-F(10μM)１μＬ、Primer-R(10μM)１μＬの混合液に滅菌蒸留水を追加混合し、５０μＬとしたものから１２μＬを採取して使用した。加熱サイクルは初期熱変性１０２℃１２０秒の後、熱変性１０２℃１０秒、アニーリング５１℃２０秒、伸長７２℃１０秒の３ステップを４０サイクル行った後、７２℃で３００秒維持し、その後３０℃３０秒でマイクロ流体デバイス１を冷却した。マイクロ流体デバイス１を冷却後、入出力ポート１１を大気開放し、支持カップ基板７の管路１７から凹陥部１５底部に向かって５０ｋＰａの圧力の空気圧を印加し、反応チャンバ２１内のＰＣＲ産物を入出力ポート１１に押し戻し、マイクロピペットで回収、下記の電気泳動試験のために保存した。ＰＣＲ溶液の分注から回収までの時間は５４分１８秒であった。回収した液量は全体で１０μＬであった。送液流路１３内部や入出力ポート１１に残った液量が１〜２μＬあると考えられるため、蒸発による液量は無視できるレベルと考えられる。なお、反応チャンバ２１内の体積は約６μＬであるため、回収した液体には加熱サイクルを経ていないＰＣＲ溶液も含まれているものと思われる。
（３）電気泳動試験
前記(2)で回収した液体の全量をＳＶ１１００（日立電子エンジニアリング株式会社製）で電気泳動し、装置付属のソフトウェアでＰＣＲ産物の鎖長と濃度を測定した。ＰＣＲ増幅産物の鎖長はプライマーの設計と一致し、ＰＣＲ産物の濃度も３．８８ｎｇ／μＬと、電気泳動で鎖長を確認するには十分な量であった。これにより、本発明のマイクロ流体デバイスでＤＮＡ検体を申し分なくＰＣＲ増幅できることが裏付けられた。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
以上、本発明のマイクロ流体デバイスの好ましい実施態様について具体的に説明してきたが、本発明は開示された実施態様にのみ限定されず、様々な改変を行うことができる。例えば、上部硬質基板３，メンブレン層５、台座基板６及び支持カップ基板７などを全て光透過性の材料から形成することにより、支持カップ基板７の凹陥部１５による反応チャンバ２１内の生成物を光学的に観察及び／又は分析することができる。
【００５２】
支持カップ基板の凹陥部内壁面全体にメンブレン層が密着することにより創成される反応チャンバには図示された２本の送液流路に限定されず、３本以上の送液流路が接続されるような実施態様も本発明の範囲内に含まれる。
【００５３】
更に、本発明のマイクロ流体デバイスは、その構造から流体制御素子及び／又は送液ポンプとしても機能させることができる。例えば、入出力ポート１１から液体を注入し、送液流路１３で支持カップ基板７の凹陥部１５に液体を送る際、開閉バルブ２３は流体制御素子として液体の流動を制御できるし、支持カップ基板７の凹陥部１５内にメンブレン層５を膨張させることにより形成された反応チャンバ２１はポンプ室となり、ポンプ室に貯留された液体を別の流路に押し出すことにより支持カップ基板７の凹陥部１５をポンプとして機能させることができる。
【００５４】
本発明のマイクロ流体デバイスは、加熱冷却操作を必要としない分野だけでなく、加熱冷却操作を必要とする様々な分野で使用できる。例えば、本発明のマイクロ流体デバイスは、医学、獣医学、歯科学、薬学、生命科学、食品、農業、水産、警察鑑識など様々な分野で好適に有効利用することができる。特に、本発明のマイクロ流体デバイスは、蛍光抗体法、in situ Hybridization等に最適なマイクロ流体デバイスとして、免疫疾患検査、細胞培養、ウィルス固定、病理検査、細胞診、生検組織診、血液検査、細菌検査、タンパク質分析、ＤＮＡ分析、ＲＮＡ分析などの広範な領域で安価に使用できる。
【符号の説明】
【００５５】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ  本発明のマイクロ流体デバイス
３  上部硬質基板
５  メンブレン層
６  台座基板
７、７’  支持カップ基板
８  隙間
９  加熱冷却装置
１０  温度センサ
１１、１１ａ、１１ｂ  入出力ポート
１３  送液流路
１５、１５’  凹陥部
１６、１６ａ、１６ｂ、１６’  非接着部
１７  管路
１８  メンブレン層用逃げ溝
１９  液体
２１  反応チャンバ
２２  送液チューブ
２３  開閉バルブ
２４  アダプター
２５  弁座
２７  弁駆動用凹部    
２９  弁駆動用管路
３１  連通空間
３３  メンブレン層用逃げ溝
３５  開閉バルブ用昇降ピン
３９  温度制御回路
４０  入力ポート
４２  出力ポート
４４  断熱用隙間
４６  シリンダ
４８  ピストン
１００  従来技術のマイクロ流体デバイス
１０２  上部基板
１０４  マイクロチャネル
１０５  入力ポート
１０６  出力ポート
１０８  下部基板
【図１】
2011030522.tif 000003
【図２】
2011030522.tif 000004
【図３】
2011030522.tif 000005
【図４】
2011030522.tif 000006
【図５】
2011030522.tif 000007
【図６】
2011030522.tif 000008
【図７】
2011030522.tif 000009
【図８】
2011030522.tif 000010
【図９】
2011030522.tif 000011
【図１０】
2011030522.tif 000012
【図１１】
2011030522.tif 000013
【図１２】
2011030522.tif 000014
【図１３】
2011030522.tif 000015
【図１４】
2011030522.tif 000016
【図１５】
2011030522.tif 000017