(57)【要約】【課題】微小流体の押出し・吸引をスムーズに行うことが可能なマイクロポンプを提供する。【解決手段】本発明のマイクロポンプは、参照極１０５、作用極１０６、対極１０７を含む電極部を有する基板１０１と、基板１０１上の電極部の活性部以外の部分を覆う絶縁部材１０２と、電極部と絶縁部材１０２を覆い、基板１０１側に電極部と重なる流路を有する流路形成部材１０３と、流路内に配された電解液１１１と、を備え、参照極１０５が、対極１０７側に櫛型の第１凹凸構造１０５ｃを有し、対極１０７が、参照極１０５側に櫛型の第２凹凸構造１０７ｃを有し、第１凹凸構造１０５ｃと第２凹凸構造１０７ｃが、隙間１１０を空けて互い違いに重なり、作用極１０６が、参照極１０５と対極１０７の間に、隙間１１０の形状に沿って延在し、流路形成部材１０３が流路１０８と外部を連通する連通孔を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
参照極、作用極、および対極を有する電極部が形成された基板と、
前記基板上の前記電極部の活性部以外の部分を被覆する絶縁部材と、
前記電極部および前記絶縁部材を被覆し、前記基板側の面において前記電極部の一部と重なる位置に、流体の流路を有する流路形成部材と、
前記流路内に収容された電解液と、を備え、
前記電極部の前記流路と重なる領域において、
前記参照極が、前記対極側に櫛型の第１凹凸構造を有し、
前記対極が、前記参照極側に櫛型の第２凹凸構造を有し、
前記第１凹凸構造と前記第２凹凸構造とが、隙間を空けて互い違いに重なるように配され、
前記作用極が、前記参照極と前記対極との間に、前記隙間の形状に沿って延在しており、
前記流路形成部材には、前記流体の流路と外部とを連通する連通孔が設けられていることを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項２】
前記電極部の前記流路と重なる位置において、前記参照極と前記作用極との距離、前記対極と前記作用極との距離は、それぞれ５０μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項３】
前記流路形成部材側からの平面視において、前記第１凹凸構造、前記第２凹凸構造を構成する凹部および凸部は、矩形であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のマイクロポンプ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のマイクロポンプと、
前記連通孔を介して、前記流路内に流体を供給する流体供給手段と、
前記参照極、前記作用極、および前記対極のそれぞれの電位を制御する電位制御手段と、を備えていることを特徴とするマイクロポンプの駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロポンプとその駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
病気を早期発見するためには、自覚症状として現れない体内の状態を把握する必要があり、その検査方法として、一般的には血液検査が行われている。血液検査は、体内の状態をリアルタイムで知るための有効な手段であるが、採血時に痛みや不快感を伴う。また、血液検査を行うためには、患者自身が病院に行く必要があり、定期的な血液検査を必要とする患者にとっては精神的・肉体的な負担となる。
【０００３】
夏場に現れる蚊は、動物から、気付かれることなく血を抜き取る能力を有している。工業的観点からいえば、蚊は、非常に優れた小型ポンプとしての機能を備えていることになる。したがって、蚊による採血プロセスを、動物の血液検査に応用することは、低侵襲医療における大きな一歩となる。
【０００４】
本発明者らは、低侵襲採血を実現し得るデバイスとして、マイクロポンプ（非特許文献１参照）に着目し、電気化学的バブル型マイクロポンプについての研究開発を行っている。図７は、従来の電気化学的バブル型マイクロポンプ３００の分解図である。電気化学的バブル型ポンプ３００は、薄膜の電極部３０４が形成されたガラス基板３０１、電極部３０４の活性部以外の部分を覆うポリイミド絶縁層３０２、微小流路３０８が形成されたポリジメチルシロキサン層３０３を備えている。微小流路３０８内に導入された電解液を電気分解して気体の生成・消滅を促し、この気体の体積変化を利用して微小流体の押出し・吸引が行われる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】D.J.Laser and J.G.Santiago, A review of micropumps. J.Micromech. Microeng 14 (2004) R35-R64
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
実用性を考慮した場合、血液検査に用いる電気化学的バブル型マイクロポンプは、構造と動作が単純であり、かつ安価であることが求められ、その点において、気体の体積変化を利用した従来の電気化学的バブル型マイクロポンプ３００は好適である。しかしながら、電気化学的バブル型マイクロポンプ３００では、電極部３０４を構成する３つの電極（参照極３０５、作用極３０６、対極３０７）が、それぞれ別々の区画に配置されているため、成長した気体によって断線が生じたり、これによる電解液中の電圧降下により、作用極に効果的に電位が印加されない場合がある。その場合、電極間に電流が流れにくくなり、さらなる気体の生成・消滅が滞ってしまうことになるため、気体の体積変化を利用した流体の押出し・吸引をスムーズに行えなくなってしまう。
【０００７】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、微小流体の押出し・吸引をスムーズに行うことが可能なマイクロポンプと、その駆動装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
（１）本発明の一態様に係るマイクロポンプは、参照極、作用極、および対極を有する電極部が形成された基板と、前記基板上の前記電極部の活性部以外の部分を被覆する絶縁部材と、前記電極部および前記絶縁部材を被覆し、前記基板側の面において前記電極部の一部と重なる位置に、流体の流路を有する流路形成部材と、前記流路内に収容された電解液と、を備え、前記電極部の前記流路と重なる領域において、前記参照極が、前記対極側に櫛型の第１凹凸構造を有し、前記対極が、前記参照極側に櫛型の第２凹凸構造を有し、前記第１凹凸構造と前記第２凹凸構造とが、隙間を空けて互い違いに重なるように配され、前記作用極が、前記参照極と前記対極との間に、前記隙間の形状に沿って延在しており、前記流路形成部材には、前記流体の流路と外部とを連通する連通孔が設けられている。
【０００９】
（２）（１）に記載のマイクロポンプは、前記電極部の前記流路と重なる位置において、前記参照極と前記作用極との距離、前記対極と前記作用極との距離は、それぞれ５０μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましい。
【００１０】
（３）（１）または（２）のいずれかに記載のマイクロポンプは、前記流路形成部材側からの平面視において、前記第１凹凸構造、前記第２凹凸構造を構成する凹部および凸部は、矩形であることが好ましい。
【００１１】
（４）本発明の一態様に係る測定装置は、（１）〜（３）のいずれか一つに記載のマイクロポンプと、前記連通孔を介して、前記流路内に流体を供給する流体供給手段と、前記参照極、前記作用極、および前記対極のそれぞれの電位を制御する電位制御手段と、を備えている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、微小流体の押出し・吸引をスムーズに行うことが可能なマイクロポンプと、その駆動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係るマイクロポンプの分解図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るマイクロポンプの平面図である。
【図３】（ａ）図２のマイクロポンプの一断面を拡大した図である。（ｂ）（ａ）のマイクロポンプの一断面を拡大した図である。
【図４】マイクロポンプを動作させたときの電極反応部を拡大した図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るマイクロポンプによる、微小流体の押出し速度を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態に係るマイクロポンプによる、微小流体の吸引速度を示すグラフである。
【図７】従来のマイクロポンプの分解図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図は、本発明の特徴を分かりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等は実際とは異なっていることがある。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロポンプ１００の分解図である。マイクロポンプ１００は、基板１０１の一方の主面１０１ａ上に、絶縁部材１０２と流路形成部材１０３とを順に備えてなる。ここでは、マイクロポンプ１００の構造を説明するため、基板１０１、絶縁部材１０２、流路形成部材１０３を分離して示しているが、少なくともマイクロポンプ１００の動作時において、これらは合体しているものとする。
【００１６】
基板１０１の材料としては、例えば、ガラス、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、アクリル、ポリイミド等が用いられる。基板１０１の形状、大きさについては、特に限定されないが、可能な限りコンパクトで、かつ取り扱いが容易なように、縦横の寸法は１〜４ｃｍ程度であるのが好ましい。
【００１７】
基板１０１の一方の主面１０１ａには、３つの電極（参照極１０５、作用極１０６、対極１０７）を有する電極部１０４が形成されている。これらの電極の形成は、フォトリソグラフィ、スクリーン印刷等の公知の方法を用いて行うことができる。参照極１０５の材料としては、銀および塩化銀が用いられる。作用極１０６の材料としては、白金黒が用いられる。対極１０７の材料としては、白金が用いられる。なお、図１において、参照極１０５と対極１０７の位置は入れ替わっていてもよい。
【００１８】
電極部１０４のうち、電解液を介して電気化学反応を起こさせる部分（以下では電極反応部と呼ぶ）は、流路形成部材１０３部に形成される流路１０８と重なる領域１０８Ａに沿って延在している。参照極１０５、作用極１０６、対極１０７は、それぞれ測定用のパッド部１０５ａ、１０６ａ、１０７ａを有しており、それぞれの電極反応部においては、互いに近接するように配置されている。
【００１９】
絶縁部材１０２は、基板１０１上の電極部１０４の活性部以外の部分（具体的にはパッド部および電極反応部以外の部分）を被覆するように、基板１０１の一方の主面１０１ａ側に取り付けられている。絶縁部材１０２は、電極同士の間、あるいは各電極と外部との間を電気的に絶縁する役割を担っている。絶縁部材１０２は、厚さ方向に貫通する貫通部１０２ａを有しており、基板１０１に取り付けられた時点では、パッド部および電極反応部が、この貫通部１０２ａから露出した状態となっている。
【００２０】
絶縁部材１０２の材料としては、ポリイミド、窒化シリコン、酸化シリコン、フォトレジスト等が用いられる。
【００２１】
図２は、図１に示す基板１０１、絶縁部材１０２、流路形成部材１０３を合体させてなるマイクロポンプ１００を、流路形成部材１０３側から見た平面図である。流路形成部材１０３は、絶縁部材１０２および電極部１０４（パッド部１０５ａ、１０６ａ、１０７ａを除く）を被覆するように、絶縁部材１０２に対して取り付けられている。
【００２２】
流路形成部材１０３は、基板１０１側の面に所定の方向に延在する凹部１０８を有している。この凹部１０８は、マイクロポンプ１００を用いて微小流体（以下では、単に流体と呼ぶ）の押出しまたは吸引を行う際に、流体の流路として機能するものである。以下では、この凹部１０８を流路１０８と呼ぶ。流路形成部材１０３には、流体の流路１０８と外部とを連通する連通孔１０９が設けられている。
【００２３】
流路形成部材１０３の材料としては、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、アクリル等が用いられる。流路形成部材１０３の厚さは、１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２４】
少なくともマイクロポンプ１００の動作時において、基板１０１と絶縁部材１０２、絶縁部材１０２と流路形成部材１０３は、それぞれ互いに固定されていることが好ましい。固定は、接着剤を用いて行ってもよいし、それぞれの互いに対向する位置に嵌合部を設け、それを用いて行ってもよい。
【００２５】
図３（ａ）は、マイクロポンプ１００の電極部１０４が露出する断面において、流体の流路１０８と重なる領域１０８Ａの一部を拡大した図である。参照極１０５は、その電極反応部１０５ｂにおいて、対極１０７側に、凹部と凸部が交互に並ぶように形成された、櫛型の第１凹凸構造１０５ｃを有している。対極１０７は、その電極反応部１０７ｂにおいて、参照極１０５側に、凹部と凸部が交互に並ぶように形成された、櫛型の第２凹凸構造１０７ｃを有している。
【００２６】
第１凹凸構造１０５ｃと第２凹凸構造１０７ｃとは、略同一平面内で、隙間１１０を空けて互い違いに重なるように（かみ合うように）配されている。作用極１０６の電極反応部１０６ｂは、参照極１０５と対極１０７との間に、隙間１１０の形状に沿って延在している。
【００２７】
流路形成部材１０３側からの平面視において、第１凹凸構造１０５ｃ、第２凹凸構造１０７ｃを構成する凹部および凸部は、電極面積を大きくする観点および加工しやすくする観点においては矩形であることが好ましいが、台形、三角形等の他の形状であってもよい。
【００２８】
電極部１０４の流路１０８と重なる位置（電極反応部）において、参照極１０５と作用極１０６との距離１１０ａ、対極１０７と作用極１０６との距離１１０ｂは、いずれも５０μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましい。距離１１０ａ、１１０ｂが５０μｍより小さいと、作用極、対極からの反応生成物が流れ込みやすくなる。距離１１０ａ、１１０ｂが２００μｍより大きいと、無駄なスペースが増える。
【００２９】
図３（ｂ）は、図３（ａ）の電極反応部の一部について、α−α線を通る面で切断した場合の断面図である。参照極１０５、作用極１０６、対極１０７は、基板１０１と絶縁部材１０２と流路形成部材１０３とで囲まれる空間に収容されており、この空間には、少なくとも参照極１０５、作用極１０６、対極１０７が浸漬される程度に、電解液１１１が注入されている。
【００３０】
本実施形態に係るマイクロポンプ１００は、連通孔１０９に所定のチューブ、注射針等を介して流体供給源を接続し、電極部に所定の電圧を印加して駆動することにより、流体供給源から流路１０８内に、流体を吸引することができる。その応用例としては、連通孔１０９に注射針を接続し、この注射針を用いて動物から血液を採取する場合等が挙げられる。この場合、動物から血液を採取する際に、マイクロポンプ１００を駆動させることにより、マイクロポンプ１００による吸引の力が加わり、血液の採取速度を高めることができる。
【００３１】
また、本実施形態に係るマイクロポンプ１００は、連通孔１０９に所定のチューブ、注射針等を介して流体供給先に接続し、電極部に所定の電圧を印加して駆動することにより、流路１０８内から流体供給先に、流体を押し出すことができる。その応用例としては、予め流路１０８内の連通孔１０９付近に電極部が形成されていない空間を設けておき、ここに所定の薬液を収容し、連通孔１０９に注射針を接続し、この注射針を用いて動物に薬液を供給する場合等が挙げられる。この場合、動物に薬液を供給する際に、マイクロポンプ１００を駆動させることにより、マイクロポンプ１００による押出しの力が加わり、薬液の供給速度を高めることができる。
【００３２】
図４は、参照極１０５、作用極１０６、対極１０７のそれぞれに対し、所定の電圧を印加し、作用極１０６の電位を参照極１０５の電位より低くした時の電極反応部の一部を、流路形成部材１０３側から見た平面図である。流路１０８内の様子が見えるように、流路形成部材１０３の一部を透明化させている。図４に示すように、作用極１０６から発生した気体２０は、流路内１０８において、複数の塊になって分散し、参照極１０５、作用極１０６、対極１０７上のランダムな位置に堆積する。
【００３３】
図４では、電極反応部１０５ｂ、１０６ｂ、１０７ｂを、延在方向Ｄにおいて複数のユニット１１２に区分した上で、各ユニット１１２の導電状態を明示している。太い斜線で覆われているユニット１１２では、堆積した気体２０によって、電極反応部１０５ｂ、１０６ｂ、１０７ｂが絶縁されている。その他のユニット１１２では、電極反応部１０５ｂ、１０６ｂ、１０７ｂが絶縁されていない。
【００３４】
電極反応部１０５ｂ、１０６ｂ、１０７ｂは、その延在方向Ｄにおける端から端までの長さが、概ね１００μｍ〜１ｍｍ以下程度である。これに対し、通常の想定される排出時間では、発生する気体の集まりの大きさ（幅）は、概ね５０μｍ〜５００μｍ程度である。したがって、電極反応によって発生した気体２０の集まりが、複数個所に分散したとしても、気体２０の集まりによって、全てのユニット１１２が覆われてしまう可能性は低い。そのため、図４に示すように、気体の集まりによって覆われていないユニット１１２が残ることになり、電極反応を維持することができる。
【００３５】
以上のように、本実施形態に係るマイクロポンプ１００では、参照極１０５と作用極１０６、作用極１０６と対極１０７が、それぞれ近接した状態で、屈曲を繰り返しながら流路１０８に沿って延在している。そのため、従来の電気化学的バブル型マイクロポンプに比べて、電極反応部が拡張されており、発生した気体の集まりが基板１０１上の複数個所に分布したとしても、電極部全体が、気体の集まりによって同時に覆われる可能性を低くすることができる。したがって、電極部１０４の一部分が気体の集まりに覆われたとしても、他の覆われていない部分において電極反応を維持することができ、各電極において気体を滞りなく生成・消滅させることができる。そのため、微小流体の押出し・吸引をスムーズに行うことができる。
【００３６】
本実施形態のマイクロポンプ１００を用いることによって、流体の押出し・吸引を、従来よりも高い速度で行うことができ、低侵襲の採血や薬剤注入を実現することが可能となる。
【実施例】
【００３７】
以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
【００３８】
（実施例１）
以下の手順で、電位制御手段を用いて本発明のマイクロポンプ１００を駆動し、マイクロポンプ１００による流体のメニスカスの位置を測定した。
【００３９】
まず、流体供給手段として、０．５Ｍの塩酸を収容したシリンジとチューブを準備し、シリンジからチューブを経由して、マイクロポンプ１００の流路１０８内に０．５Ｍの塩酸を供給した。
【００４０】
次に、銀および塩化銀からなる参照極１０５、白金黒からなる作用極１０６、白金からなる対極１０７をポテンショスタットに接続した上で、参照極１０５を基準電位として、作用極１０６に電圧を−０．８Ｖ印加し、このときの流体のメニスカスの位置を測定した。作用極１０６の電極反応部の面積は、９．９ｍｍ２とした。
【００４１】
（比較例１）
マイクロポンプ１００を図７に示す従来のマイクロポンプ３００に置き換え、実施例１と同様の手順で、電位制御手段を用いてマイクロポンプ３００を駆動し、マイクロポンプ３００による流体のメニスカスの位置を測定した。基板３０１、絶縁部材３０２、流路形成部材３０３としては、実施例１と同様の材料からなるものを用いた。電極部３０４を構成する参照極３０５、作用極３０６、対極３０７については、それぞれ別々の区画に配置され、流路３０８の一部のみと重なっているものとした。マイクロポンプ３００の電極部と流路以外の構成については、マイクロポンプ１００の構成と同様である。
【００４２】
図５は、実施例１、比較例１のマイクロポンプ１００、３００における流体の押出し速度の測定結果を示すグラフである。グラフの横軸は経過時間（秒）を示し、グラフの縦軸はメニスカスの位置の変化量（ｍｍ）を示している。作用極に−０．８Ｖを印加し始めてから約４０秒が経過した時点で、メニスカスの位置の変化量は、実施例１で４１．２ｍｍ、比較例１で９．１ｍｍとなっている。つまり、本発明のマイクロポンプ１００による押出し速度が、従来のマイクロポンプ３００による押出し速度に比べて、約４倍以上も向上している。
【００４３】
このような効果が得られる理由としては、電極反応部が大きく、気体に覆われずに電極反応を維持している部分が多いため、流体の押出しに用いる気体をスムーズに生成させられることが挙げられる。また、同効果が得られる理由としては、参照極、作用極、対極が互いに接近していることにより、気体を発生させるための電極反応速度が向上していることも挙げられる。
【００４４】
図６は、実施例１、比較例１のマイクロポンプ１００、３００における流体の吸引速度の測定結果を示すグラフである。グラフの横軸は経過時間（秒）を示し、グラフの縦軸はメニスカスの位置の変化量（ｍｍ）を示している。作用極に＋０．４Ｖを印加し始めてから約４０秒が経過した時点で、メニスカスの位置の変化量は、実施例１で１７．５ｍｍ、比較例１で８．７ｍｍとなっている。つまり、本発明のマイクロポンプ１００による吸引速度が、従来のマイクロポンプ３００による吸引速度に比べて、約２倍以上も向上している。
【００４５】
このような効果が得られる理由としては、電極反応部が大きく、気体に覆われずに電極反応を維持している部分が多いため、流体を吸引する妨げとなる気体をスムーズに消滅させられることが挙げられる。また、同効果が得られる理由としては、電極反応部が大きいことにより、気体を消滅させられる領域が大きくなることも挙げられる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、マイクロポンプは、マイクロ分析チップ上での送液を行う一般的なデバイス等において、広く活用することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１００、３００・・・マイクロポンプ
１０１、３０１・・・基板
１０１ａ・・・基板の一方の主面
１０２、３０２・・・絶縁部材
１０３、３０３・・・流路形成部材
１０４、３０４・・・電極部
１０５、３０５・・・参照極
１０５ａ、１０６ａ、１０７ａ・・・パッド部
１０５ｂ、１０６ｂ、１０７ｂ・・・電極反応部
１０５ｃ・・・第１凹凸構造
１０６、３０６・・・作用極
１０７、３０７・・・対極
１０７ｃ・・・第２凹凸構造
１０８、３０８・・・流路
１０８Ａ・・・流路と重なる領域
１０９・・・連通孔
１１０・・・隙間
１１０ａ、１１０ｂ・・・距離
１１１・・・電解液
１１２・・・ユニット
【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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