(57)【要約】【課題】反応に悪影響を及ぼす温度変化や添加物等が無くとも簡単な仕組みで流路に気体や液体を脈動無く流すことができる反応装置を提供すること。【解決手段】少なくとも供給路３または排出路４となる溝２と前記溝２に形成された反応部分５を有する基体１と、前記供給路３または排出路４となる溝２の内壁に形成されており、導体または磁性体と、前記導体または前記磁性体を覆う保護膜とからなる複数の微小突起７と、前記複数の微小突起７を駆動する電磁誘導発生手段とを備えていることを特徴とする。【選択図】図１
2008155161.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給路、排出路および反応部を有する溝が形成された基体と、
導体または磁性体からなる核部材と前記核部材を覆う保護膜とからなり、前記溝の内部に設けられた複数の微小突起と、
前記基体に設けられており、電磁誘導によって前記複数の微小突起を駆動する手段と、
を備えた反応装置。
【請求項２】
前記複数の微小突起が屈曲部を有していることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項３】
前記複数の微小突起の表面に、凸部または凹部があることを特徴とする請求項１記載の反応装置。
【請求項４】
前記複数の微小突起が弾性変形することを特徴とする請求項１記載の反応装置。
【請求項５】
前記複数の微小突起の前記核部材が軟磁性体からなることを特徴とする請求項１記載の反応装置。
【請求項６】
前記複数の微小突起が、先端部および根元部に磁極を有する永久磁石からなることを特徴とする請求項１記載の反応装置。
【請求項７】
前記溝に直交して配置されており、前記複数の微小突起を駆動させる電力が供給される配線をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の反応装置。
【請求項８】
前記溝に平行に配置されており、前記複数の微小突起を駆動させる電力が供給される配線をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の反応装置。
【請求項９】
前記配線に、矩形波または正弦波の信号電圧が供給されることを特徴とする請求項７または請求項８記載の反応装置。
【請求項１０】
前記反応部の内壁に、触媒または酵素が担持されていることを特徴とする請求項１記載の反応装置。
【請求項１１】
前記複数の微小突起の表面に、触媒または酵素が担持されていることを特徴とする請求項１記載の反応装置。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１のいずれかに記載の反応装置と、
前記反応装置の前記溝を流れる原料物質または生成物質の濃度または流速を検出する手段と、
前記検出手段による検出結果に応じて前記複数の微小突起の駆動を制御する手段と、
を備えた反応システム。
【請求項１３】
前記原料物質または前記生成物質の供給手段および回収手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１２記載の反応システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液体状態物または気体状態物の反応を高精度な制御環境にて行うための反応装置に関し、より詳細には流壁または底部に駆動制御可能な微小突起を形成した反応基板と反応物や供給物の測定及び微小突起の駆動を調整する機構を備えた反応システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、微量の液体状態物や気体状態物の反応について、温度制御や光合成を行いつつ合成や分解等を行うには試験管やウェルプレートの中などで温度制御や光合成を行って混合しながら進めていく方法が一般的に取られていた。この場合、反応が安定的に持続するのは短時間であり、また、不安定な状態での反応が続きやすいため、反応の精度や再現性及び生成物の純度や量は不十分であった。
【０００３】
近年、メカトロニクス技術や半導体製造技術を応用した反応装置が脚光を浴びている。この反応装置は液体状態物や気体状態物が層流となるサイズまで流路を狭くしているため、流れが乱れることがないので経路に伴う反応が非可逆的であることや、微小距離での拡散律速反応であるため流路内での制御された混合が容易なため、流壁に配置された触媒や酵素に十分に反応原料物の供給ができ、十分な反応生成物の排出が可能になる。このため、非常に高精度に反応生成物を作ることが出来る。また、複数の液体または気体の混合も容易となる。このため、微量の混合反応も正確に行うことが出来る。
【０００４】
最近では反応装置内にマイクロ弁やマイクロポンプを形成して、更に反応の精度を上げたり、複雑な反応を行ったりするための反応装置が提案されている。
【０００５】
例えば、特許文献１では流路の途中に加圧室を形成し、加圧室を流壁の一部である圧電体の歪みにより加圧室の圧力を変化させるマイクロポンプについて記載されている。
【０００６】
また、特許文献２では流路内にフロートとなる弁を形成しているマイクロバルブについて記載されている。
【０００７】
また、特許文献３では鞭毛構造のタンパク質モーターにより、加圧室の流壁を動かすことによりポンプとなす技術を提案している。
【０００８】
また、特許文献４では基板上に微小突起を形成し、微小突起をバイメタルの原理にて熱制御にて撓ませることによってアクチュエーターとしている。
【特許文献１】特開２００５−９８３０４号公報
【特許文献２】特開２００５−３３７４１５号公報
【特許文献３】特開２００４−１５９８４７号公報
【特許文献４】特開２００５−３１８７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
流路に圧力室を設け、圧力室の壁を動かすことによりポンプとなす方法の場合、必ず逆流防止弁が必要なため、コストが高くなる。また、弁機能が必要な作動方式では液体状態物や気体状態物に脈動が発生するため、部分的に不精密な反応が発生する。また、タンパク質モーターを用いる際は運動のエネルギー源であるＡＴＰ（アデノシン３リン酸）を反応原料物などと一緒に流すか、または供給のための流路が必要となるため可能な反応が大きく限定されたり、より複雑な流路の形成が必要になったり、また、反応温度により運動エネルギーの発生量が異なり反応の最適化が限定される。また、微小突起を熱により制御する場合、反応は温度により制御されるため、微小突起を撓ませるための熱により反応時の温度が変わってしまい、精密な反応が出来なくなる。
【００１０】
従って、本発明の反応装置は上記問題点を鑑みて完成されたものであり、その目的は反応に悪影響を及ぼす温度変化や添加物等が無くとも簡単な仕組みで流路に気体や液体を脈動無く流すことができる反応装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、供給路、排出路および反応部を有する溝が形成された基体と、前記溝の内部に設けられた複数の微小突起と、電磁誘導によって前記複数の微小突起を駆動する手段とを備えている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、溝の内部に設けられた複数の微小突起と、電磁誘導によって複数の微小突起を駆動する手段とを備えていることにより、原料物質などの流体の流速を制御することができ、複数の流体の反応を十分に行わせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に本発明の配線基板を添付の図面に従って詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態の一例である。図１に示すように１は基体、２は溝、３は供給路、４は排出路、５は反応部分、６は微小突起配置部である。
【００１４】
基体１は、ガラス、アルミナやガラスセラミックス（ガラセラ）などである。溝２は、基体1を例えばダイシング加工やサンドブラスト加工やルーター加工等の機械加工することによって形成したり、溝の底面部となる基板の上に、側壁を接着して組み立てて基体１としてもよい。溝２は、２次元的に配置するだけでなく、溝の深さを変えたり、側壁に底部を形成したりすることで３次元的に配置することもできる。
【００１５】
供給路４は溝１への液体状態物や気体状態物の外部からの供給部であり、排出路は、溝１からの液体状態物や気体状態物の外部への排出部である。
【００１６】
反応部分５は、溝１の供給路３と排出路４の間に配置する。反応部分５では、溝１もしくは溝１の上部の蓋の液体状態物や気体状態物と接する部分に触媒または酵素が担持されており、液体状態物や、気体状態物を反応させる部分である。微小突起配置部６は、溝１の供給路３と排出路４の間に配置する。
【００１７】
図２は、微小突起部６の横断面の拡大図である。微小突起部６では、溝２もしくは溝２の上部に配置した蓋体８の液体状態物や気体状態物と接する部分に微小突起７が形成されている。この微小突起物７を導体に電気を通すことによる電磁誘導発生手段によって動かすことで、液体状態物や気体状態物を移動させたり、止めたりすることができる。
【００１８】
図３、図４は、微小突起部６の縦断面の拡大図である。ここで、図３は導体９に電流が導通していない時の例であり、図４は、導体９に電流を導通させたときの例である。微小突起７は、例えば蓋体８に形成する場合を蓋体８の部分拡大図である図５に沿って説明する。
【００１９】
ａ、蓋体８を準備する。蓋体８の材質に特に制限は無いが、電磁誘導手段を遮蔽しない材料が望ましい。ｂ、蓋体８の一方の主面全面に例えば銅（Ｃｕ）やクロム（Ｃｒ）の層を従来周知の真空蒸着法やスパッタリング法等によって形成し、ダミー層７ａとする。ｃ、ダミー層７ａの微小突起７の根元となる部分だけを従来周知のフォトリゾグラフィ法を用いて除去する。ｄ、ダミー層７ａの上に例えばシリカや有機高分子の層を従来周知の真空蒸着法やスパッタリング法等によって形成し第１の絶縁層７ｂとする。ｅ、第１の絶縁層７ｂがダミー層７ａを覆い、第１の絶縁層７ｂを除去した部分では蓋体８が露出するように、従来周知のフォトリゾグラフィ法を用いて第１の絶縁層７ｂのダミー層７ａの微小突起７の根元となる部分を除去する。
【００２０】
ｆ、蓋体８上と第１の絶縁層７ｂ上に例えばチタン（Ｔｉ），クロム（Ｃｒ），タンタル（Ｔａ），ニオブ（Ｎｂ），ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ）合金および窒化タンタル（Ｔａ２Ｎ）等のうち少なくとも１種類から成る密着層７ｃを従来周知の真空蒸着法やスパッタリング法等によって形成する。ｇ、その上に、例えば鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、ケイ素鋼(Ｆｅ−Ｓｉ)、パーマロイ(Ｆｅ−Ｎｉ)、センダスト（Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ）、パーメンジュール（Ｆｅ−Ｃｏ）等を用いて磁性体層７ｄを従来周知の真空蒸着法やスパッタリング法等によって形成する。
【００２１】
ｈ、微小突起７の根元となる部分の周囲を液体状態物や、気体状態物を移動させたい方向部分を大きく残し、逆の方向は根元部分が残るように、その周囲の密着層７ｃと磁性体層７ｄを除去する。ｉ、その上に、例えばシリカや有機高分子の層を従来周知の蒸着法によって形成し第２の絶縁層７ｅとする。ｊ、密着層７ｃや磁性体層７ｄが露出しないように密着層７ｃや磁性体層７ｄの周囲が数μｍ程度絶縁層で覆われた状態でエッチングされるようにフォトリゾグラフィ法を用いて第１の絶縁層７ｂおよび第２の絶縁層７ｅを除去する。ｋ、最後に、ダミー層７ａをエッチングして除去することで微小突起７の根元部分だけが蓋体８に接合した状態となる。
【００２２】
工程ｊで、第１の絶縁層７ｂおよび第２の絶縁層７ｅの不要部を除去した後に、再度エッチングレジストを微小な島状に形成して、第２の絶縁層７ｅの表面をエッチングすると、微小突起７の表面に微細な凹凸を形成することができる。
【００２３】
なお、絶縁層を形成する時に、第１の絶縁層７ｂは圧縮応力が残留するように形成し、第２の絶縁層７ｅは、引っ張り応力が残留するように形成する。例えば各々の残留応力は、真空蒸着（以後蒸着と略す）の条件によって調節することができる。蒸着時の製品温度を高めたり、イオンアシスト条件を強くすることで、絶縁層の残留応力を圧縮応力にし、その程度を調節することができ、製品温度を下げたり、イオンアシストを行わないことで残留応力を引っ張り応力にし、その程度を調節することができる。残留応力を調節することで、微小突起７が出来上がったときに蓋体表面となす角度を調節できる。
【００２４】
そして、図３のように、導体９を液体状態物や、気体状態物の移動方向に対して、直交する方向に導体９を形成し、各導体９に電流を流すことで磁性を発生させ、それによって磁性体層７ｄに力を与え微小突起７を変形させることで同一断面の微小突起７を任意の位相で動かすことが出来るので、液体状態物や、気体状態物を任意の速度で移動させることができる。
【００２５】
また、導体９を液体状態物や、気体状態物の移動方向に対して、平行に導体９を形成し、各導体９に電流を流すことで磁性を発生させ、それによって磁性体に力を与えると、導体９と並行な位置にある微小突起７を同期させて変形させることで液体状態物や、気体状態物を大きく移動させることができる。
【００２６】
そして、導体９に流す電流を正弦波の信号とすることで、特別な回路を使用しなくとも、微小突起７に同期した信号を付加することが出来るので、液体状態物や、気体状態物を脈動無く移動させることができる。
【００２７】
微小突起７を形成するときに、絶縁体層７ｂ、７ｅや、密着金属層７ｃや、磁性体層７ｄを部分的に厚みを薄くすることによって、微小突起７が変形するときに微小突起７の厚みの薄い部分で、屈曲部を形成して変形させることができる。微小突起７を屈曲させるために部分的に厚みを薄くする方法としては、例えばダミー層７ａの一部を厚く形成し、その後第１の絶縁体層７ｂ、密着層７ｃ、磁性体層７ｄ、第２の絶縁体層７ｅを形成した後にダミー層７ａの影響で盛り上がった表面部分をエッチングし、その後ダミー層７ａを除去することによってできる。
【００２８】
また、微小突起７の変形が材料の弾性変形範囲内であれば、微小突起７に磁力で加わった力がなくなると、材料の弾性で元の形状に戻るため、一方からの力を断続的に加えるだけで、微小突起７の先端を往復運動させることが出来るので、弾性限界の大きい材料を密着層７ｃに、また、ニッケルや4-2アロイなどの透磁率の大きな軟磁性体を磁性体層７ｄに使用することで、構造を単純化することが出来る。
【００２９】
また、磁性体層７ｄをフェライトやサマリウムコバルト等の強磁性体で形成し、導体に瞬間的に大電流を与えることによって強い磁性を与えることで、微小突起７の磁性体層７ｄを永久磁石とすることが出来る。  それによって、導体９に電流を流すことによって発生する磁力に吸引されるだけでなく、反発するようにもなるため、微小突起７により大きな力を発生させることが出来、液体状態物や、気体状態物を効率的に移動させることができる。
【００３０】
微小突起７の表面に触媒もしくは酵素を担持させる固定化膜を例えば従来周知のコーティング法で形成し、触媒もしくは酵素を微小突起７の表面に担持させることによって、反応面積が増加し、さらに液体状態物や気体状態物中で微小突起７が動くことにより、触媒や酵素の活動効率を高めることができる。固定化膜は、アミノアルキルシランやポリ−Ｌ−リジン等からなり、生体由来物質を良好に吸着することが可能な親水性物質である。好ましくは、アミノ基，アルデヒド基，メルカプト基，シラン基およびカルボキシル基のうちの少なくとも１種を有しているものがより好ましい。
【００３１】
原料物質と生成物質の導電率や屈折率等の物理特性の差を利用することで、反応装置の供給路または排出路となる溝を流れる原料物質や生成物質の濃度や流速などを検出し、その結果を用いて、微小突起７を駆動するための導体９に加える電流を制御することで、より効果的に生成物質を生成させることから、より高精度に生成物質を制御することができる。
【００３２】
反応装置に原料物質や生成物質の供給手段または回収手段とを備えさせ、原料や生成物質の供給や回収を制御することで、生成物質をより一層高精度に制御することができる。以上のようにして、本発明の反応装置となる。
【００３３】
なお、本発明は上述の最良の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことは何等差し支えない。例えば、微小突起配置部６は、溝２全体に配置されていても良く、また、微小突起７は、溝の蓋体８に形成するのではなく、溝の側壁や、底に形成しても良い。
【００３４】
本発明の反応装置は、少なくとも供給路または排出路となる溝と溝に形成された反応部分を有する基体と、供給路または排出路となる溝の内壁に形成されており、導体または磁性体と、導体または磁性体を覆う保護膜とからなる複数の微小突起と、複数の微小突起を駆動する電磁誘導発生手段とを備えていることにより、電磁誘導発生手段で微小突起を一斉もしくは、微小な時間差で駆動させることによって、狭い溝中の液体状態物や気体状態物全体に微小突起によって駆動力または摩擦力を加えることで、液体状態物や気体状態物全体を一定速度で移動させることができるので、反応を均一に効率的に進めることができる。
【００３５】
本発明の反応装置は、複数の微小突起が屈曲部を有していることにより、電磁誘導発生手段によって微小突起を動かした場合に、液体状態物や気体状態物を後方に引き込んだり押し出したりすることができるので、液体状態物や気体状態物を効率的に移動させることができる。また、屈曲部を有しているので、急激な流動の変化に対しても微小突起が破壊することがない。
【００３６】
本発明の反応装置は、複数の微小突起の表面に、微細な凹凸があることにより、微小突起の表面の流体抵抗が減少し効率よく液体状物や気体状態物を引き込んだり押し出したりすることができるので、液体状態物や気体状態物を効率的に移動させることができる。
【００３７】
本発明の反応装置は複数の微小突起は弾性変形することにより、電磁誘導による力が加わらなくなると元に戻ろうとするので、電磁誘導の力は、引っ張るもしくは押し出す一方の力でよく、液体状態物や気体状態物を移動させる駆動機構を単純にできる。また、弾性によって動きが滑らかになることで、流れをスムーズにすることができる。
【００３８】
本発明の反応装置は、複数の微小突起が、保護膜に包まれた磁性体からなり、磁性体が軟磁性体である場合は、電磁誘導発生によって微小突起を磁化したことで動かした後に、電磁誘導を停止した後に残留磁性の影響が無いために、微小突起は磁化する前の形状にもどる。このため、次の動きに滑らかに移れる。
【００３９】
本発明の反応装置は、複数の微小突起が、保護膜に包まれた磁性体からなり、磁性体は微小突起の先端側および根元側が磁極である永久磁石である場合は、電磁誘導発生手段によって微小突起を動かす場合に、根元側と先端側に逆方向の力が加わることから、より駆動体を大きく動かすことができるので、液体状態物や気体状態物を速い速度で移動させることができる。
【００４０】
本発明の反応装置は、基体または基体に被せる蓋には複数の微小突起を駆動せしめる電力を供給するための配線が形成されており、その配線は供給路または排出路となる溝と平行な場合は、電磁誘導の発生と共に、配線と平行な位置にある微小突起を同期して動かすことができるので、液体状態物や気体状態物を大きく移動させることができる。
【００４１】
本発明の反応装置は、基体または基体に被せる蓋に複数の微小突起を駆動せしめる電力を供給するための配線が形成されており、その配線は流体の供給路または排出路となる溝と直交する場合は、制御配線を多数配置できるために、それぞれの微小突起を任意の位相で動かすことができるので、液体状態物や気体状態物を任意の速度で移動させることができる。
【００４２】
本発明の反応装置は、基体または基体に被せる蓋には複数の微小突起を駆動せしめる電力を供給する配線には矩形波または正弦波の信号電圧が負荷されることにより、特別な回路を使用せずとも微小突起に同期した信号を付加することができるので、液体状態物や気体状態物を脈動無く移動させることができる。
【００４３】
本発明の反応装置は、反応部分である溝の内壁には触媒または酵素が担持されていることにより、流体の流れを精密にコントロールすることによって反応を精密にコントロールすることができる。
【００４４】
本発明の反応装置は、反応部分に形成された複数の微小突起表面にも触媒または酵素が担持されていることにより、反応面積が増加し、さらに液体状態物や気体状態物中で微小突起が動くことにより、触媒や酵素の活動効率を高めることができる。
【００４５】
本発明の反応装置を含む反応システムは反応装置と、反応装置の供給路または排出路となる溝を流れる原料物質や生成物質やその濃度や流速などを検出する手段と、生成物質やその濃度などの検出結果に応じて複数の微小突起の駆動を制御する手段とを備えたことにより、より効果的に生成物質を生成させることから、より高精度に生成物質を制御することができる。
【００４６】
本発明の反応システムは原料物質や生成物質の供給手段または回収手段とを備えたことにより、原料や生成物質の供給や回収を制御できるので、生成物質をより一層高精度に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示す平面図である。
【図２】微小突起部６の横断面の拡大図である。
【図３】微小突起部６の縦断面の非導通時の拡大図である。
【図４】微小突起部６の縦断面の導通時の拡大図である。
【図５】微小突起７の作成工程の一例を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１：基体
２：溝
３：供給路
４：排出路
５：反応部分
６：微小突起配置部
７：微小突起
８：蓋体
９：導体
【図１】
2008155161.tif 000003
【図２】
2008155161.tif 000004
【図３】
2008155161.tif 000005
【図４】
2008155161.tif 000006
【図５】
2008155161.tif 000007