(57)【要約】【課題】マイクロ流路を流れる液体内に混入する大小様々な気泡を、流路から除去し、反応領域及び光学的検査領域に気泡が侵入しないようにする。【解決手段】液体を流すマイクロ流路を有するマイクロ流路デバイスであって、前記マイクロ流路に連通する液体の注入を行うための第一の開口と、前記マイクロ流路に連通する液体の排出を行うための第二の開口と、前記マイクロ流路の一部を構成する気泡捕捉部と、を有しており、前記気泡捕捉部の高さは、該気泡捕捉部よりも下流側の前記マイクロ流路に液体が流れ込む位置での該マイクロ流路の高さよりも高いことを特徴とするマイクロ流路デバイス。【選択図】図２
2015166707.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を流すマイクロ流路を有するマイクロ流路デバイスであって、
前記マイクロ流路に連通する液体の注入を行うための第一の開口と、
前記マイクロ流路に連通する液体の排出を行うための第二の開口と、
前記マイクロ流路の一部を構成する気泡捕捉部と、を有しており、
前記気泡捕捉部の高さは、該気泡捕捉部よりも下流側の前記マイクロ流路に液体が流れ込む位置での該マイクロ流路の高さよりも高いことを特徴とするマイクロ流路デバイス。
【請求項２】
前記第一の開口または第二の開口に送液ポンプが接続されていることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ流路デバイス。
【請求項３】
前記送液ポンプは式１を満たす終端速度Ｖｆよりも遅い速度で前記液体を移動させることを特徴とする、請求項２に記載のマイクロ流路デバイス。
【数１】
2015166707.tif 000011
（ｇは重力加速度、μは流体の粘度、ｒは気泡の半径、ρＡは気泡の密度、ρｗは流体の密度を表す。）
【請求項４】
前記送液ポンプは式８を満たす圧力であるＰ１を液体にかけることを特徴とする、請求項２に記載のマイクロ流路デバイス。
【数２】
2015166707.tif 000012
（ρは流体の密度、Ｑは液体の流量、Ａ１はマイクロ流路の断面積、Ａ２は気泡捕捉部の断面積、Ｐ１は送液ポンプの圧力、γは表面張力、ｒは気泡の半径、θは気泡の濡れ角を表す。）
【請求項５】
前記気泡捕捉部は、通気流路によって外部と空気連通していることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロ流路デバイス。
【請求項６】
前記通気流路に、気液界面保持ポンプが接続されている、請求項５に記載のマイクロ流路デバイス。
【請求項７】
前記気液界面保持ポンプは、式２を満たす負圧であるＰ２が一定の値となるように圧力を加える、請求項６に記載のマイクロ流路デバイス。
【数３】
2015166707.tif 000013
（Ｐ１は送液ポンプの圧力、Ｑは液体の流量、Ａ１はマイクロ流路の断面積、Ａ２は気泡捕捉部の断面積、ρは流体の密度を表す。）
【請求項８】
前記気泡捕捉部の高さは下流方向に行くに従って高くなることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のマイクロ流路デバイス。
【請求項９】
前記気泡捕捉部は流路から離れるに従って左右幅が狭くなるようなテーパ形状を有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のマイクロ流路デバイス。
【請求項１０】
第一の基板と第二の基板とを接合してマイクロ流路デバイスを製造する方法であって、
第二の基板の第一の基板と接合する面に溝を形成する工程と、
第一の基板の第二の基板と接合する面のうち、前記第二の基板の溝に対応する範囲の少なくとも一部に、内側に窪んだ形状を形成する工程と、
第一の基板の前記窪んだ形状から第一の基板の反対側の表面まで貫通する孔を形成する工程と、
第一の基板と第二の基板とを接合する工程とを有することを特徴とする、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ流路デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
生化学反応の経過や、化学分析の結果を得るために、さまざまな装置及びセンサが開発されている。その中の一つとして、基材内に所定の流路形状でマイクロチャネル等の微細構造を持つマイクロデバイスが提案されている。これらのマイクロデバイスは、半導体製造方法などを利用して製造できるためより小型化され、また、所望の情報を得るまでの分析工程の全てを当該マイクロデバイス上で行うことができるようになっている。
【０００３】
こうしたデバイスは、マイクロ・トータル・アナリシス・システム（μ−ＴＡＳ）又は、ラボオンチップと呼ばれている。特に基材内にマイクロチャネル等の微細構造を有するものは、マイクロ流路デバイスと呼ばれている。
【０００４】
これらのマイクロ流路デバイスは、従来のデスクトップサイズの分析機器と比較すると、デバイス内に含まれる流体の量が低容量化される。そのため、必要試薬量の低減や、分析対象の微量化による反応時間の短縮等が期待できる。
【０００５】
マイクロ流路デバイスは、一般に少なくとも２枚以上の基板から構成される。一方の基板の表面には微細な溝が形成されており、この溝が形成されている面を他方の基板と接合することによって、この溝が覆われ、マイクロ流路（マイクロチャネル）となる。
【０００６】
マイクロ流路内にヒーター（抵抗体）を配置し、マイクロ流路内を通過する流体を加熱すると、流体の熱容量が小さいため、ヒーターによる温度の追従性が良く、素早く温度を上下させることができる。このようなマイクロ流路デバイスを用いることで、例えば、ＤＮＡのＰＣＲ反応をより短時間で行うことができる。このようにマイクロ流路内で生成又は反応した反応物は、光学的なセンサを用いて流路内で評価されるのが一般的である。例えば、生成物に特定波長の光を照射し、蛍光発光を捉えることで、反応の進行状況や生成物の量等を測定することが可能である。
【０００７】
このようなマイクロ流路を持つマイクロ流路デバイスは、流路が微細であるため、流路内への異物の混入によって大きな影響を受ける。特に気泡がマイクロ流路内に混入してしまうと、例えば前述のようなＰＣＲの反応部では、温度の不均一性が生じてしまい、期待した反応物が生成されないおそれがある。また、光学検知部に気泡が混入すると、気泡が蛍光発光を阻害してしまい、正確な分光強度が測定できなくなるおそれがある。
【０００８】
そこで、特許文献１、２および３には、マイクロ流路内に混入した気泡を除去するような流路構造が提案されている。
【０００９】
特許文献１では、流路内の一部の壁面に凹凸を形成して、この凹凸部分に気泡をトラップすることで、凹凸部よりも下流側の流路内に気泡を混入させないような仕組みが提案されている。
【００１０】
しかしながら、特許文献１の構造では、流路内に連続して気泡が混入した場合、トラップ部分に気泡が溜まり続けて飽和してしまう可能性がある。トラップ部分が飽和してしまうと、それ以上は気泡が除去できなくなる。
【００１１】
また、特許文献２では、本流路よりも開口径の大きい気泡排出流路を分岐させて本流路から気泡排出流路へ気泡を誘導する仕組みが提案されている。
【００１２】
特許文献２の構造では、多くの気泡が流路内に混入した場合でも、除去することが可能であるが、流路内に本流路の流路高さよりも小さい大きさの気泡が混入した場合、分岐部分で気泡が本流路に入ってしまう可能性がある。
【００１３】
特許文献３では、ガスを抜くためのガス抜き流路を備える仕組みが提案されている。液体の流れる本流路は、疎水性の絞りを介してガス抜き流路と接しており、この絞りは、液体は通過できないが、気体は通過可能な構造になっている。
【００１４】
特許文献３の構造では、気相部分と液相部分との境界が流路内の液体の流れに対して平行に位置しているだけなので、液体の流れに気液界面が巻き込まれて、新たな気泡が発生する可能性がある。また、ガス抜き流路の位置については特に定められていないため、配置によっては気泡が気液界面に触れること無く素通りしてしまう可能性もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２０１３−７５９２号公報
【特許文献２】特開２０１１−９９７２４号公報
【特許文献３】特表２００２−５２７２５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、マイクロ流路を流れる液体内に混入している大小様々な気泡を流路から除去し、反応領域及び光学的検査領域に気泡が侵入しないようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明によれば、液体を流すマイクロ流路を有するマイクロ流路デバイスであって、前記マイクロ流路に連通する液体の注入を行うための第一の開口と、前記マイクロ流路に連通する液体の排出を行うための第二の開口と、前記マイクロ流路の一部を構成する気泡捕捉部と、を有しており、前記気泡捕捉部の高さは、該気泡捕捉部よりも下流側の前記マイクロ流路に液体が流れ込む位置での該マイクロ流路の高さよりも高いことを特徴とするマイクロ流路デバイスが提供される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明により、マイクロ流路に混入した気泡は、気泡捕捉部内の気液界面に捉えられ、気液界面と合一する。そして、気泡を構成するガスは、気泡捕捉部の通気流路を介して外部に排出され、気液界面からの気泡の再脱離が発生しない。これにより、気泡の大きさ、量に関わらず、確実に流路内から気泡を除去することができ、反応領域及び光学的検査領域に気泡が侵入することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係るマイクロ流路デバイスの一実施形態を表す上面図である。
【図２】（ａ）は図１のマイクロ流路デバイスをＡ−Ａ’で切断した断面図である。（ｂ）は図１のマイクロ流路デバイスをＢ−Ｂ’で切断した断面面である。
【図３】マイクロ流路デバイスの駆動状態を示す模式図である。
【図４】本発明の実施例２に係るマイクロ流路デバイスを表す上面図である。
【図５】（ａ）は図４のマイクロ流路デバイスをＡ−Ａ’で切断した断面図である。（ｂ）は図４のマイクロ流路デバイスをＢ−Ｂ’で切断した断面図である。
【図６】本発明の実施例３に係るマイクロ流路デバイスを表す上面図である。
【図７】（ａ）は図６のマイクロ流路デバイスをＡ−Ａ’で切断した断面図である。（ｂ）は図６のマイクロ流路デバイスをＢ−Ｂ’で切断した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００２１】
マイクロ流路デバイスとは、マイクロ流路を有するデバイスであり、マイクロ流路とは、内部に水及び有機物を含む溶液などの液状物質を流すことを前提とした、１ｍｍ（１０００μｍ）より小さい幅を有する流路である。マイクロ流路は、表面に微細な溝が形成された基板を、この溝が覆われるように他の基板と接合することによって、製造することができる。マイクロ流路は、例えば、幅が１０００μｍ以下で、深さが５００μｍ以下とすることができる。マイクロ流路内部の溶液の流れは、乱流でも層流でもよいが、層流になっていると、溶液の不要な攪拌を防止することが可能となり、流路内での反応のコントロールをより精密に行うことが可能となる。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロ流路デバイスを上方から見た模式図である。図２（ａ）は、このマイクロ流路デバイスをＡ−Ａ’で切断した断面図であり、図２（ｂ）は、このマイクロ流路デバイスをＢ−Ｂ’で切断した断面図である。本実施形態に係るマイクロ流路デバイスは、マイクロ流路２４が設けられた第二の基材１２と、マイクロ流路２４を覆うように第二の基材１２に接合された第一の基材１１とを有する。第一と第二の基材は、接着剤を介した接合又は直接接合等により接合され、マイクロ流路２４の中を通過する流体が漏れ出さないように、壁面が少なくとも流路全体を囲うように接合されている。第一の基材１１には、外部とマイクロ流路２４を接続する開口部としての液体注入口２１および液体排出口２２が設けられている。第一の基材１１の接合面には、第二の基材に設けられたマイクロ流路２４に対向する領域の少なくとも一部に窪みを有し、第二の基材１２と接合されたとき、この窪みが、マイクロ流路２４に混入した気泡を捕捉するための凹形状の気泡捕捉部３２となる。このとき、接合後のマイクロ流路２４の内部に液体２５が満たされると、気泡捕捉部３２には外部との気液界面３１が形成される。また、第一の基板には、前記窪みから反対側の表面まで貫通する孔を設けて、この孔を後述する通気流路としてもよい。
【００２３】
次に、マイクロ流路デバイスの構成及び構成部材について説明する。
本発明に使用できる第一及び第二の基材の材質は、特に限定はされず、ガラス、プラスチック、金属または無機化合物等を用いることができる。ガラスとしては、例えば石英ガラス、アルカリガラス、無アルカリガラスなどを用いることができる。プラスチックとしては、例えばアクリル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ナイロンなどを用いることができる。使用されるプラスチックは一種類でも構わないし、複数種のプラスチックを用いることも可能である。
【００２４】
金属としては、例えば、アルミ、ニッケル、鉄、銅及びその他の金属、又はステンレス及び真鍮、などの各種合金などを用いることができる。無機化合物としては、アルミナ、ジルコニア及びシリカなどの金属酸化物並びにその混合物、並びに窒化ホウ素などのセラミック等を用いることができる。
【００２５】
本発明に使用する基材の製造方法は、特に限定されない。エッチング、機械加工又は金型成形によれば、微細なマイクロ流路を高精度で形成することが可能である。特にガラス、金属及び無機化合物の基材を用いるときは、エッチングによることで、高精度にマイクロ流路デバイスを形成することができる。プラスチックの基材を用いるときは、金型によるインジェクションモールドによることで、高精度に形成されたマイクロ流路デバイスを量産することが可能になる。
【００２６】
本発明に使用する基材の厚さは、特に限定はされない。マイクロ流路内部を流れる液体２５の圧力によって変形しない厚さとすることで、流路内での反応のコントロールをより精密に行うことが可能となる。例えば、プラスチックの基材の場合、０．１ｍｍ以上の厚さが望ましい。厚さが０．１ｍｍ以下の場合、マイクロ流路内部を流れる液体２５の圧力によって変形が生じて、溶液の圧力制御に支障がでる可能性がある。厚さの上限については、特に規定はされない。製品の形状、歩留まり、製造コストからより最適な厚さを選択することができる。
【００２７】
気泡捕捉部３２内には、マイクロ流路（以下単に「流路」ということがある）２４を流れる液体２５が気相と接触する気液界面３１が形成される。そのため、気泡捕捉部３２の高さは、その前後の流路２４よりも高くなるよう設計される。なお、本発明のマイクロ流路デバイスを、第二の基板を下にして水平面上に置き、流路に対して重力が作用するとき、その重力が向かう方向を下面側、その反対方向を上面側とし、第二の基材の下面を含む水平面から流路２４または気泡捕捉部３２の最も上面側に位置する点（すなわち流路または気泡捕捉部の頂部）までの距離を流路２４または気泡捕捉部３２の高さとする。また、流路２４の垂直方向又は水平方向の内径を流路の上下幅または左右幅とする。本実施形態では、気泡捕捉部３２は、流路２４に対して、液体注入口２１及び液体排出口２２と同じ側に設けられる。第一の基材１１のマイクロ流路２４に対向する領域の一部に溝形状の窪みを設けることで、第一の基材１１と第二の基材１２とを接合したときに気泡捕捉部３２を形成することができる。窪みの形成方法は、特に限定されないが、ドライ又はウェットエッチングによる加工、ドリルによる機械加工及び金型によるインジェクションモールド成形等によることができる。
【００２８】
気泡捕捉部３２の幅は特に限定されないが、流路の幅と同じかそれ以上の幅を有していると、流路全体から気泡を捕捉することが可能となる。なお、例えば、気泡捕捉部３２の断面形状を、流路側の幅が広く、流路から離れるに従って幅が狭くなるようなテーパ形状にすることで、上方向に行く気泡が集中するため、気泡を収集しやすくなる。
【００２９】
気泡捕捉部３２は、外部と空気連通する通気流路２３を有する。通気流路２３には、弁等を設けて、気泡捕捉部３２が外部と連通する状態と連通しない状態を選択可能に構成してもよい。なお、気泡捕捉部３２が外部と連通しない状態は、後述する気液界面保持ポンプ５２等によって達成してもよく、その構成は特に限定されない。この通気流路２３を通じた外部の気圧と流路２４内を流れる液体２５の圧力との釣り合いがとれる高さに、気液界面３１が形成される。液体２５が通気流路２３から外部に漏れず、この気液界面３１が気体捕捉部３２内に形成されるように、気泡捕捉部３２を構成するとよい。また、気泡捕捉部３２よりも下流方向の流路２４に液体が流れ込む部分での流路２４の高さが気液界面３１よりも低くなるように流路を設計すると、気液界面３１より上部の空気がマイクロ流路２４内の液体２５の流れによって下流側に流されることを防ぐことができる。また、気体捕捉部３２の上下幅が、気泡捕捉部３２より下流の流路２４の上下幅より、大きいことが望ましい。その他、マイクロ流路デバイスの目的に合わせて流路の上下幅を設計することができる。マイクロ流路２４の幅は特に限定されないが、上下幅と左右幅の比（上下幅／左右幅）が１以下であると、気泡をより効率的に集めることができる。
【００３０】
マイクロ流路２４の上下幅を、気泡捕捉部３２を液体２５が通過中に気泡が流路の下端から気液界面３１まで浮上するのに必要な距離よりも小さくすると、液体２５に混入している気泡３０が浮力によって浮き上がって気泡捕捉部３２内の気液界面３１に接触することにより、より確実に気泡３０を捉えることができる。液体中の粒子の終端速度は、ストークスの式で表されることが知られている。ここで、Ｖｆは終端速度、ｇは重力加速度、μは流体の粘度、ｒは気泡の半径、ρＡは気泡の密度、ρｗは流体の密度を表す。
【００３１】
【数１】
2015166707.tif 000003
【００３２】
式１より、例えば流体が水で、気泡が空気とすると、直径１０μｍの気泡の浮上速度（終端速度）は、約０．２４ｍｍ／ｓｅｃである。流路２４の下端から気液界面３１までの距離を５０μｍとし、気泡３０が流路の底にあるとすると、約０．２１ｓｅｃで気液界面に接触することができる。液体の流速から、気泡が気泡捕捉部の気液界面に接触する位置が計算でき、気泡捕捉部３２に必要な長さを見積もることができる。例えば、上記の気泡３０を捕捉する場合、６ｍｍ／ｓｅｃの流速で液体２５が流れているとすると、気泡捕捉部３１の長さは約１．２６ｍｍ以上必要なことが分かる。逆に、気泡捕捉部３１の長さが１．２６ｍｍ以上の場合、液体２５が６ｍｍ／ｓｅｃよりも遅い終端速度で流れるように送液ポンプの圧力を調整してもよい。
【００３３】
マイクロ流路２４内の液体２５を流動させるために、図３に示すように、液体排出口２２にマイクロ流路２４内の液体を駆動させるための送液ポンプ５１を接続しても良い。このポンプによって液体排出口２２が減圧され、液体注入口２１にかかる大気圧によって液体２４が押され、流路２４内を液体２５が流動する。なお、逆に液体注入口２１にマイクロ流路２４内の液体を駆動させるための送液ポンプを接続して、このポンプによって液体注入口２１を加圧してもよい。接続されるポンプ５１が微量な流量を制御できるポンプであると、より精密にマイクロ流路２４内の液体２５の移動を制御することが可能となる。このようなポンプとして、限定はされないが、例えば、マイクロ蠕動ポンプ（マイクロチュービングポンプ）等がある。これらのポンプは、使用するマイクロ流路デバイスの流路２４の大きさ、目的とする流速等を考慮して選定する。また、配管内の圧力を検出するための圧力センサを接続してもよい。圧力センサは、気泡捕捉部、通気流路内の圧力をモニターし、気液界面保持ポンプを動作させるのに必要である。圧力センサは、マイクロ流路内の微量の圧力を検出できる物が望ましい。
【００３４】
通気流路２３には、送液ポンプと５１は独立した別の気液界面保持ポンプ５２を接続しても良い。このポンプ５２を用いることによって、気泡捕捉部３２内の気液界面４１の位置を維持することが可能となる。流体２５が液体排出口２２に向かってマイクロ流路２４を流れる時、気液界面３１が流路内の液体２４に引っ張られて圧力が下がる。その時の負圧は、例えば以下の式２で表わされる。
【００３５】
【数２】
2015166707.tif 000004
【００３６】
ここで、Ｐ１は送液ポンプの圧力、Ｐ２は流体の流れによって生じる負圧、Ｑは液体の流量、Ａ１はマイクロ流路の断面積、Ａ２は気泡捕捉部の断面積、ρは流体の密度を表す。
【００３７】
気泡３０は、他の気泡３０と接触すると、表面積を最小に保とうとするため、互いに合一しようとする。一般に使用する液体の表面張力が低い程、気泡の合一が起きやすくなる。また、気泡は、一度気液界面に接触すると、表面張力によってそこで保持されるようになる。マイクロ流路２４内を流れる液体２５による気泡３０を引きはがそうとする力が、気泡３０と気液界面３１との間の付着力よりも小さければ、気泡３０は脱離すること無く気液界面３１に留まることになる。気泡が合一するまでの間、気泡が気液界面に留まっていることが望ましい。
【００３８】
気泡の気液界面への付着力は、表面張力より以下の式３で表わされるので、式３を用いて捕捉された気泡が留まる力を求めることができる。ここで、Ｆは気泡の気液界面への付着力、γは表面張力、ｒは気泡の半径、θは気泡の濡れ角を表す。
【００３９】
【数３】
2015166707.tif 000005
【００４０】
式３より求められる気泡３０の気液界面３１への付着力よりも、気泡３０に及ぼすマイクロ流路２４内の液体２５の圧力が小さければ、気泡３０は気液界面３１に捕捉され続ける。気泡３０にかかるマイクロ流路２４内の液体２５の圧力と気泡３０の付着力との力のつり合いは、モーメントを考慮すると、以下に示す計算によって求めることができる。ここで、気泡にかかる力をＰ、気泡の気液界面への付着力をＦ、γは表面張力、ｒは気泡の半径、θは気泡の濡れ角を表す。
【００４１】
気泡にかかる圧力Ｐの気泡の中心まわりのモーメントよりも、気液界面への付着力Ｆの気泡の中心まわりのモーメントが、大きければ気泡は脱離しない。式に表わすと、
【数４】
2015166707.tif 000006
となり、この式を満たす条件が気泡を保持できる条件となる。
【００４２】
液体の気泡にかかる圧力は送液ポンプの圧力Ｐ１であり、気泡の表面積の１／４に及ぼすと仮定して、式４の左辺に表面積の１／４を乗じ、右辺に式３を代入すると、以下の式５及び式６が導かれる。
【数５】
2015166707.tif 000007
【数６】
2015166707.tif 000008
【００４３】
上記の式の液体の圧力Ｐ１を、流路を構成するパラメーターで表わすと、以下の式７の式となる。ここで、Ｑは液体の流量、Ａ１はマイクロ流路の断面積、Ａ２は気泡捕捉部の断面積を表す。ρは流体の密度を表す。
【００４４】
【数７】
2015166707.tif 000009
【数８】
2015166707.tif 000010
【００４５】
式８を満たす流量Ｑ、断面積Ａ１、Ａ２、つまり液体の流速（ｖ＝Ｑ／Ａ）を調整することで、気泡を気泡捕捉部の気液界面から脱離させること無くマイクロ流路内に液体を流すことができる。
【００４６】
実際に上記の式８に具体的数値を当てはめて計算すると、流路断面積Ａ１に０．０１４ｍｍ２（左右幅１８０μｍ、上下幅８０μｍ）、Ａ２に０．００３６ｍｍ２（左右幅１８０μｍ、上下幅２０μｍ）、流量Ｑに６ｎＬ／ｓｅｃ、液体の密度ρに１．０ｇ／ｃｍ３、液体の表面張力に０．０７２Ｎ／ｍ、気泡の半径に１０μｍ、気泡の気液界面との接触角を４５°、圧力Ｐ２を０．１ｐｓｉとすると、付着力Ｆよりも小さい圧力にするには、気泡捕捉部で４．５ｍｍ／ｓｅｃ以下の液体の流速にすれば、気泡は気液界面から脱離しない。実際に上記流路で液体を流し、気泡の脱離を確認したが、流速が１．０〜３．０ｍｍ／ｓｅｃでは脱離を確認できなかった。
【００４７】
気泡の合一は、気泡同士の界面が薄い膜を介して接触している状態で、膜の厚さが変動し表面張力が不均一になり、膜が破ることにより起こる。そのため、使用する液体に含まれる界面活性剤の量は、泡の膜を安定させるような量よりも少ないことが望ましい。純度の高い液体（界面活性剤等の異物が少ない液体）を用いる場合、合一は非常に短い時間で行われる。液体が水で気泡が空気の場合、気相が空気の気液界面に気泡が接触してから合一するまでの時間は、平均で約０．５ｓｅｃ程度である。
【００４８】
次に、本発明のデバイスの駆動手順を示す。
マイクロ流路デバイスに送液ポンプ５１、気液界面保持ポンプ５２を接続する。はじめに液体注入口２１から液体を注入し、送液ポンプ５１を駆動させ、マイクロ流路２４内に液体２５を充填する。この時、液体２５はマイクロ流路２４、気泡捕捉部３２及び通気流路２３の全てに充填されている。
【００４９】
次に送液ポンプ５１を停止し、マイクロ流路２４内の液体２５の移動を止めてから、気液界面保持ポンプ５２を駆動させる。気液界面保持ポンプ５２は、マイクロ流路デバイス外部の気体を、通気流路２３を介して気泡捕捉部３２に送り込み、気液界面３１を気泡捕捉部３２に形成する。
【００５０】
この状態で送液ポンプ５１を動かして、マイクロ流路２４内の液体２５を移動させると、ベンチュリ効果により、気泡捕捉部３１及び通気流路２４内の圧力が低下する。この時、通気流路２３は外部と繋がらないように弁を閉じておき、この時の通気流路３２の圧力を基準圧力とする。気液界面３１に気泡３０が捕捉されると、気液界面３１の位置が下がるため、気泡捕捉部３２の断面積が小さくなり、気泡捕捉部３２の流速が増加する。そうなると通気流路３２内の圧力が低下する。圧力が前記の基準圧力よりも小さくなった時に、気液界面保持ポンプ５２を駆動させて、通気流路２３内の圧力を基準圧力まで戻す。そうすると気液界面の位置が元の位置に戻る。
【００５１】
こうすることで、気泡３０が気液界面３１で捕捉され気液界面位置が変化しても、通気流路２３内の圧力を基準にして気液界面保持ポンプ５２を動かせば、常に気液界面３１を一定に維持し続けた状態で気泡３０を捕捉し続けることができる。
本発明のマイクロ流路デバイスは、医療検査・診断等に用いられる医療用の検査素子として使用することができる。しかし、本発明は、前述の医療用の検査素子に限定されるものではなく、マイクロ流路を用いたデバイスの気泡除去に広く適用することができる。
【実施例１】
【００５２】
以下、具体的な実施例を挙げて本発明についてより詳しく説明する。以下の実施例では、上記実施形態で説明した構成を適用してマイクロ流路デバイスを製造した。
【００５３】
基材材料として石英基板を用意し、ドライエッチング加工によって図１及び図２に示す基材形状を得た。基材の大きさは、幅６０ｍｍ、奥行き３０ｍｍ、厚さ０．６ｍｍで、マイクロ流路２４となる溝形状（左右幅１８０μｍ、上下幅２０μｍ）を有する第二の基材１２と、液体注入口２１（直径０．３５ｍｍ）、液体排出口２２（直径０．３５ｍｍ）と第二の基材１２の溝部に沿った形状の気泡捕捉部になる窪み（左右幅１８０μｍ、上下幅８０μｍ、長さ５ｍｍ）と、通気流路２３（直径０．３５ｍｍ）を有する第一の基材１１を作製した。
【００５４】
作製した基材を石英基板の直接接合で貼り合わせを行った。接合には、三菱重工社製のＢｏｎｄＭｅｉｓｔｅｒ  ＮＷＢ（商品名）接合装置を用いた。
【００５５】
貼り合せたデバイスには、液体排出口２２及び通気流路２３にそれぞれポンプ（ＷＡＴＳＯＮ  ＭＡＲＬＯＷ社製  ４００ＦＤ）を接続した。ポンプと各開口部とは、ゴムチューブで接続し、チューブとマイクロ流路デバイスの開口部とは弾性のあるシール材を介して接続した。圧力センサは、ＡｌｌＳｅｎｓｏｒｓ社製の２０ＩＮＣＨ−Ｄ−４センサを用いた。
【００５６】
液体注入口２１から液体２５としての蒸留水をピペットで滴下し、送液ポンプ５１を駆動させ液体２５をマイクロ流路２４内に充填させた。送液ポンプ５１は、約０．１２ｐｓｉの引き込み圧力で駆動させ、液体２５を約６．０ｎＬ／ｓｅｃで送液した。マイクロ流路２４内が液体２５で充填された後に、送液ポンプ５１を停止させ、液体２５が動いていないことを確認してから、気液界面保持ポンプ５２を約０．０６ｐｓｉの圧力で駆動させ、通気流路２３から外気を導入し、気泡捕捉部３２に気液界面３１を形成した。
【００５７】
送液ポンプ５１を再び駆動させ、気液界面３１を維持しながら液体２５をマイクロ流路２４中で送液した。送液ポンプ５１を圧力約０．１２ｐｓｉで駆動させて、液体２５を約６．０ｎＬ／ｓｅｃで送液させると、気泡捕捉部３２の通気流路３１には、約０．０５〜０．０７ｐｓｉの引き込み圧力が発生した。この時の圧力を気液界面の基準位置圧力とした。
【００５８】
送液しながら、ピペットで試薬を注入した。このとき、気泡を混入させるために、ピペットから液を間欠的に出して、間に空気層を入れるようにして、意図的に気泡を混入させた。
【００５９】
気液界面３１に気泡が捕捉され、気泡が合一すると、気泡捕捉部３２の断面積が見た目に小さくなるので、通気流路２３内の圧力が低下していった。約０．０４ｐｓｉを切った時に気液界面保持ポンプ５２を動かし、最初に基準圧力とした０．０７ｐｓｉとなるように圧力を調整した。
【００６０】
結果、マイクロ流路２４内に混入した気泡３０は、気泡捕捉部３２の気液界面３１に捉えられ、合一し通気流路２３から気液界面保持ポンプ５２を通じて外部に排出された。そのため、検出領域４１に気泡は見られなかった。
【実施例２】
【００６１】
基材材料として石英基板を用意し、ドライエッチング加工によって図４及び図５にある基材形状を得た。基材の大きさは、幅６０ｍｍ、奥行き３０ｍｍ、厚さ０．６ｍｍで、マイクロ流路となる溝形状２４（左右幅１８０μｍ、上下幅２０μｍ）を有する第二の基材と、液体注入口２１、液体排出口２２（直径０．３５ｍｍ）と、通気流路２３（直径０．３５ｍｍ）を有する第一の基材を作製した。
【００６２】
第二基材の溝部に沿った形状の気泡捕捉部（左右幅１８０μｍ、上下幅８０μｍ、長さ３ｍｍ）は、ウェットエッチングにより図５（ｂ）に示すように高さ方向につぼんでいく三角形の断面形状とし、頂点部分に気液界面ができるようにした。（底辺が１８０μｍ、上下幅が８０μｍの三角形）
実施例１と同様の条件で、貼り合わせ、駆動を行った。実施例１と同様に送液しながら、気泡を混入させるために、ピペットでの試薬注入時に意図的に気泡を混入させ、気泡の捕捉状態を確認した。
【００６３】
結果、実施例１と同様にマイクロ流路２４内に混入した気泡は、気泡捕捉部３２の気液界面３１に捉えられて合一し、通気流路２３から気液界面保持ポンプ５２を通じて外部に排出され、検出領域４１に気泡が侵入していないことを確認した。
【実施例３】
【００６４】
基材材料として石英基板を用意し、ドライエッチング加工によって図６及び図７に示す基材形状を得た。基材の大きさは、幅６０ｍｍ、奥行き３０ｍｍ、厚さ０．６ｍｍで、マイクロ流路となる溝形状２４（左右幅１８０μｍ、上下幅２０μｍ）を有する第二の基材１２と、液体注入口２１（直径０．３５ｍｍ）及び液体排出口２２（直径０．３５ｍｍ）と、通気流路２３（直径０．３５ｍｍ）を有する第一の基材１１を作製した。
【００６５】
第二の基材１２の溝部に沿った形状の気泡捕捉部３２（左右幅１８０μｍ、長さ３ｍｍ）は、ドリル加工により図７（ａ）に示すように気泡捕捉部の高さが下流方向に行くに従って高くなるような、傾斜した断面形状とし、頂点部分に気液界面３１ができるようにした。傾斜は、３ｍｍで、８０μｍの上下幅となるような傾斜とした。
【００６６】
実施例１と同様の条件で、貼り合わせ、駆動を行った。実施例１と同様に送液しながら、気泡を混入させるために、ピペットでの試薬注入時に意図的に気泡を混入させ、気泡の捕捉状態を確認した。
【００６７】
結果、実施例１と同様にマイクロ流路２４内に混入した気泡は、気泡捕捉部３２の気液界面３１に捉えられて合一し、通気流路２３から気液界面保持ポンプ５２を通じて外部に排出され、検出領域４１に気泡が侵入していないことを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
以上、本発明のマイクロ流路デバイスの好ましい実施形態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形態のみに限定されない。
【符号の説明】
【００６９】
１１  第一の基材
１２  第二の基材
２１  液体注入口
２２  液体排出口
２３  通気流路
２４  マイクロ流路（流路溝）
２５  液体
３０  気泡
３１  気液界面（トラップ気泡）
３２  気泡捕捉部
４１  反応／検出部
【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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