(57)【要約】【課題】本発明の課題は、マイクロ流体デバイスを局所的に温度制御することである。【手段】温度制御する部位の近傍に開口部を備えるマイクロ流体デバイスにより、マイクロ流体デバイスを局所的に温度制御することが可能になる。また、本発明は、マイクロ流体デバイスの開口部に、熱交換流体を導入あるいは熱交換部材を挿入する工程と、該熱交換流体または該熱交換部材を介してマイクロ流体デバイスと熱交換を行う工程とを含む、マイクロ流体デバイスの温度制御方法を提供する。【選択図】図１
2008157932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度制御する部位の近傍に開口部を備える、マイクロ流体デバイス。
【請求項２】
前記開口部が貫通孔である、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項３】
温度制御する部位とデバイスの他の領域との間に空隙部を有する、請求項１または２に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項４】
前記開口部が、先細り形状を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項５】
前記開口部の表面が弾性体である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項６】
前記マイクロ流体デバイスの温度制御する部位を含む部分が、熱伝導率１０Ｗ・ｍ−１Ｋ−１以下の材質から構成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスの温度を制御する方法であって、
マイクロ流体デバイスの開口部に、熱交換流体を導入あるいは熱交換部材を挿入する工程と
該熱交換流体または該熱交換部材を介してマイクロ流体デバイスと熱交換を行う工程と
を含む、マイクロ流体デバイスの温度制御方法。
【請求項８】
請求項２〜６のいずれか１項に記載の貫通孔を有するマイクロ流体デバイスの温度を制御する方法であって、
複数のマイクロ流体デバイスを積層する工程と、
積層されたマイクロ流体デバイスの貫通孔に、熱交換流体を導入あるいは熱交換部材を挿入する工程と
該熱交換流体または該熱交換部材を介してマイクロ流体デバイスと熱交換を行う工程と
を含む、マイクロ流体デバイスの温度制御方法。
【請求項９】
前記熱交換部材が中空の部材であり、
該中空の熱交換部材内に流体を流すことをさらに含む、請求項７または８に記載のマイクロ流体デバイスの温度制御方法。
【請求項１０】
前記熱交換部材が中実の部材であり、
該中実の熱交換部材の温度を温度制御することをさらに含む、請求項７または８に記載のマイクロ流体デバイスの温度制御方法。
【請求項１１】
前記熱交換部材が、温度制御する部位に近い側では開口部の側面に接し、温度制御する部位から遠い側では開口部の側面に接していない、請求項７〜１０のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスの温度制御方法。
【請求項１２】
前記熱交換部材の先端が先細り形状である、請求項７〜１１のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスの温度制御方法。
【請求項１３】
前記熱交換部材の表面が弾性体である、請求項７〜１２のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスの温度制御方法。
【請求項１４】
前記熱交換部材が、熱伝導率１０Ｗ・ｍ−１Ｋ−１以上の材質からなる、請求項７〜１３のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスの温度制御方法。
【請求項１５】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスと、
マイクロ流体デバイスの開口部に導入ないし挿入するための熱交換流体または熱交換部材と
を含む、マイクロ流体デバイスの温度制御システム。
【請求項１６】
マイクロ流体デバイス載置台と、
マイクロ流体デバイスの開口部に導入ないし挿入するための熱交換流体または熱交換部材を有する温度制御機構と
当該温度制御機構と当該マイクロ流体デバイス載置台との位置を相互に移動させる移動機構と、
を備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスの温度制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度制御が可能なマイクロ流体デバイス、マイクロ流体デバイスの温度制御方法、および、マイクロ流体デバイスの温度制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
１９９０年代の初めに、マンツが化学分析、生化学分析に必要な全ての要素を一枚のチップ上に組み込む微小化学分析装置、いわゆるマイクロタス（μＴＡＳ：micro Total Analysis System）の概念を提唱して以降、ＤＮＡ分析デバイス、免疫分析デバイス、電気泳動デバイス、クロマトグラフィーを始めとする様々なタイプのマイクロタスが開発されてきた。マイクロタスは、ラボ・オン・チップ（Lab-on-chips）、集積化化学システムなどとも呼ばれることがあり、極めて盛んに研究開発がなされている。また、マイクロタスだけでなく、微小流路内で選択的に特異的な化学反応を高い収率で起こし創薬するマイクロリアクターも開発されている。微小流路、温度制御機構、濃度調整機構、混合・分岐機構、送液機構、バルブ機構、検出機構などから構成されるこれらのデバイスは、一般に、マイクロ流体デバイスと呼ばれている。
【０００３】
このようなマイクロ流体デバイスの特徴としては、微小な流路を用いるため、試料や試薬が少量で済むことが挙げられる。例えば、マイクロリットルオーダー（例えば、５マイクロリットル）以下の極めて少量の試料にて、化学反応、混合・分離・抽出などの物理化学的処理、ＤＮＡ増幅・検出などの分析が行われる。したがって、ビーカーやフラスコでの従来の実験操作で必要であった１ミリリットル以上の試料の量と比較して、試料や試薬の量を減らすことができ、特に、血液やＤＮＡなどの極微量のサンプルしか得ることができない利用用途に対して好適である。
【０００４】
また、マイクロ流体デバイスにおいては、デバイス上で一連の化学的ないし生物的操作を行うことができるため、ハイスループットな反応や分析が可能である。マイクロリアクタのようにマイクロ流体デバイスで化学物質を生成することが目的の場合は、単位時間に生成できる化学物質の質量流量［ｋｇ／ｈ］がスループットの指標であり、化学物質を分解して無害化することが目的の場合は、分解処理できる化学物質の質量流量［ｋｇ／ｈ］がスループットの指標となる。また、マイクロタスのように分析結果を出すことが目的の場合は、単位時間あたりに検査できる検体の数［サンプル／ｈ］がスループットの指標となる。例えば、複数のマイクロ流体デバイスを一括して処理することによってハイスループットな反応や分析が可能である。すなわち、マイクロリアクターの場合は、単位時間あたりに数多くの反応を行うことができ、マイクロタスの場合は、単位時間あたりに数多くのサンプルを処理することができる。例えば、マイクロリアクターの場合、1枚のデバイスの中では拡散混合により高速に反応が進むものの１枚のデバイスでは流量が少ないため生産能力は小さいが、10〜20枚といった複数枚のマイクロリアクアーを重ねて、薬液を同時に供給することにより、ハイスループットな生産が可能である（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。また、マイクロタスを用いた分析の場合も、まず第一に、１枚のチップにたとえば400列の微小流路を作り一様の処理をおこなうことで同時に多数のサンプルを検査できるし、さらに、複数枚のマイクロタスを重ねることでも、同様に、同時に多数のサンプルを検査できる。たとえば、最上層のチップにリザーバーを設けてサンプルや反応試薬を供給し、プロセスが進むごとに貫通穴を通って下の層にサンプルが降りるようにすることで実現できる。このようなマイクロタスは、たとえば健康診断の採取血液を分析するような複数の同種類のサンプルを対象とする場合の利用に好適である。
【０００５】
さらに、マイクロ流体デバイスは、デバイス内の容積が小さいため熱容量が小さいため、少ない熱量で短時間に加熱もしくは冷却できるという特徴を有する。一般に、体積は長さの三乗に比例するため、熱容量も長さの三乗に比例する。そのため、微量な空間において化学反応等を行うマイクロ流体デバイスにおいては、温度制御を短時間に行うことが可能である。例えば、迅速な温度制御というマイクロ流体デバイスの特徴を利用して有機化合物を分解する方法が提案されている（特許文献３）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、マイクロ流体デバイスにおいては、混合、反応、分析などの様々な化学操作をデバイス上で行う。したがって、例えば、反応は高温で行い、分析は室温で行うなど、マイクロ流体デバイス上の各部分をそれぞれ独立して異なる温度に制御することが望まれる場合がある。
【０００７】
しかしながら、マイクロ流体デバイスは、そのサイズが小さく少ない熱量で短時間に加熱もしくは冷却できるために、デバイス全体が冷却あるいは加熱されてしまい、デバイスを局所的に温度制御することが困難であった。一般に、マイクロ流体デバイスの温度制御としては、ヒートシンクやペルチェ素子などによるものが知られているが、例えば、ペルチェ素子で加熱・冷却を行う場合、ペルチェ素子が接する高温領域から隣接する別の低温領域に熱が流れて温度分布ができるため、１つのデバイス上において局所的に均一な温度領域を作る温度制御を行うことは容易ではない。
【０００８】
従来、マイクロ流体デバイスの温度制御に関しては、以下に示すような技術が提唱されている。すなわち、マイクロ流体デバイスの表面から加熱・冷却するとデバイスの表面と裏面との間で温度差（温度勾配）が生じるという問題があり、この問題を克服するため、チップ厚さをチップ幅の１／２以下にすることが提唱されている（特許文献４）。また、チップの表面と裏面に温度制御モジュールを配置して、チップ両面から加熱・冷却することが提案されている（特許文献５）。
【０００９】
しかし、これらはいずれも表面からの熱移動のみに着目したものであるし、マイクロ流体デバイス全体を温度制御する技術であって、マイクロ流体デバイスを局所的に温度制御するものではない。マイクロ流体デバイスにおける温度制御の対象は、微細流路内を流れる微小な流体であるから、本来はわずかな熱量で加熱・冷却すれば十分であるのに、現実には、ガラス製やプラスチックス製のマイクロ流体デバイス全体を加熱・冷却していた。
【００１０】
一方、北森らはマイクロチップにおいて局所的な温度制御を提案している（非特許文献１）。しかしながら、マイクロチップ表面からの熱移動のみに着目したものであった。すなわち、高温ないしは低温源とマイクロチップとが接する界面の表面積がマイクロチップ表面に限られているし、複数の温度制御する部位の間で熱の移動があるため、高い温度領域から低い温度領域に向かって熱が流れる分、熱損失を生じていた。この熱損失を補うため、大きな熱容量の熱浴を用いたり、大きなペルチェ素子、大きなヒートシンクが必要であり、システムサイズの大型化や、高コスト化を招くものであった。
また、チップ表面からの熱移動だけをおこなうマイクロ流体デバイスなので、複数のデバイスを積層して、それぞれのデバイス内で局所的に高精度に温度制御することは困難であった。
【００１１】
その他に、マイクロ流体デバイスの中にマイクロヒータを作り込むことによって、直接流路を加熱する方法が提案されている（特許文献６、特許文献７）。しかし、このような方法は、チップの構造を複雑化し、製造コストを高くするため、使い捨てチップに適するものではないし、排熱はチップの表面からのみしか行えないため、複数のマイクロ流体デバイスを積層するハイスループットなマイクロリアクターやハイスループット分析に適するものではない。
【００１２】
そこで、本発明は、マイクロ流体デバイスにおいて、局所的な温度制御を精度よく効率的に行うことを目的とする。また、本発明は、マイクロ流体デバイス上の複数の領域において、個々独立して温度制御を行うことも目的とする。さらに、本発明は、複数のマイクロ流体デバイスを一括して温度制御し、ハイスループットな化学処理を行うことも目的とする。
【特許文献１】特開２００４−１１３８７７
【特許文献２】特開平１１−１７１８５７
【特許文献３】特開２００２−１１３４７５
【特許文献４】特開２００６−１２１９３４
【特許文献５】特開２００３−２７０２０４
【特許文献６】特開２００３−４７８３９
【特許文献７】特開２００３−１１７４０９
【非特許文献１】北森ら「Analytical Chemistry, Vol. 77, No. 7」2125-2131ページ、2005年
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、マイクロ流体デバイスに開口部を設けることによって、局所的な温度制御を高精度かつ効率的に行うことができることを見出し、本発明を完成させた。
【００１４】
本発明は、以下に限定されるものではないが、例えば、以下の発明を包含する。
（１）  温度制御する部位の近傍に開口部を備える、マイクロ流体デバイス。
（２）  前記開口部が貫通孔である、（１）に記載のマイクロ流体デバイス。
（３）  温度制御する部位とデバイスの他の領域との間に空隙部を有する、（１）または（２）に記載のマイクロ流体デバイス。
（４）  前記開口部が、先細り形状を有する、（１）〜（３）のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
（５）  前記開口部の表面が弾性体である、（１）〜（４）のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
（６）  前記マイクロ流体デバイスの温度制御する部位を含む部分が、熱伝導率１０Ｗ・ｍ−１Ｋ−１以下の材質から構成される、（１）〜（５）のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
（７）  （１）〜（６）のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスの温度を制御する方法であって：マイクロ流体デバイスの開口部に、熱交換流体を導入あるいは熱交換部材を挿入する工程と；該熱交換流体または該熱交換部材を介してマイクロ流体デバイスと熱交換を行う工程と；を含む、マイクロ流体デバイスの温度制御方法。
（８）  （２）〜（６）のいずれか１項に記載の貫通孔を有するマイクロ流体デバイスの温度を制御する方法であって：複数のマイクロ流体デバイスを積層する工程と；積層されたマイクロ流体デバイスの貫通孔に、熱交換流体を導入あるいは熱交換部材を挿入する工程と；該熱交換流体または該熱交換部材を介してマイクロ流体デバイスと熱交換を行う工程と；を含む、マイクロ流体デバイスの温度制御方法。
（９）  前記熱交換部材が中空の部材であり、該中空の熱交換部材内に流体を流すことをさらに含む、（７）または（８）に記載のマイクロ流体デバイスの温度制御方法。
（１０）  前記熱交換部材が中実の部材であり、該中実の熱交換部材の温度を温度制御することをさらに含む、（７）または（８）に記載のマイクロ流体デバイスの温度制御方法。
（１１）  前記熱交換部材が、温度制御する部位に近い側では開口部の側面に接し、温度制御する部位から遠い側では開口部の側面に接していない、（７）〜（１０）のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスの温度制御方法。
（１２）  前記熱交換部材の先端が先細り形状である、（７）〜（１１）のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスの温度制御方法。
（１３）  前記熱交換部材の表面が弾性体である、（７）〜（１２）のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスの温度制御方法。
（１４）  前記熱交換部材が、熱伝導率１０Ｗ・ｍ−１Ｋ−１以上の材質からなる、（７）〜（１３）のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスの温度制御方法。
（１５）  （１）〜（６）のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスと；マイクロ流体デバイスの開口部に導入ないし挿入するための熱交換流体または熱交換部材と；を含む、マイクロ流体デバイスの温度制御システム。
（１６）  マイクロ流体デバイス載置台と；マイクロ流体デバイスの開口部に導入ないし挿入するための熱交換流体または熱交換部材を有する温度制御機構と；当該温度制御機構と当該マイクロ流体デバイス載置台との位置を相互に移動させる移動機構と；を備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスの温度制御システム。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、マイクロ流体デバイスの温度制御を局所的に精度よく効率的に行うことが可能になる。また、本発明によれば、マイクロ流体デバイスの温度制御を局所的に行うことができ、マイクロ流体デバイス上の複数の領域において独立して温度制御を行うことが可能になる。また、短い距離で、異なる温度制御部位を隣接して配置できるため、装置が小型化できるばかりでなく、微細流路を流れる流体を、短時間で温度変化させることができる。したがって、高精度の分析、収率のよい化学反応を行うことができる。さらに、本発明によれば、積層された複数のマイクロ流体デバイスを一括して温度制御することが可能になり、ハイスループットな反応や分析が可能になる。
【００１６】
したがって、本発明は、マイクロ流体デバイス上でに複数の温度領域を設ける必要がある場合に特に有効である。また、本発明によれば、効率よく温度制御を行うことができるため、ペルチェ素子やヒータなどの温度制御機構を低電力化できるので、温度制御システムを小型化し、低コスト化が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
１つの側面において、本発明は、温度制御する部位の近傍に開口部を備えるマイクロ流体デバイスを提供する。
本発明においてマイクロ流体デバイスとは、マイクロ・ファブリケイテッド・デバイスとも呼ばれるものであり、主に、マイクロタスあるいはラボ・オン・チップ（Lab-on-chips）、マイクロリアクターなどの微小流路内での化学反応を応用した機器の総称である。本発明のマイクロ流体デバイスは、微小な流体を扱うものであれば、形状、大きさ等に特に制限はない。一般には、マイクロ流体デバイスは、リザーバーと流路を備え、さらに必要に応じて、温度制御機構、濃度調整機構、混合・分岐機構、送液機構、バルブ機構、検出機構などを備えており、当業界において公知の微細加工技術により製造することができる。例えば、一枚の基板上に流路やリザーバーを形成させ、次いで、その基板にもう一枚の基板を接着させて、マイクロ流体デバイスを作製することができる。具体的な微細加工技術としては、公知のフォトリソグラフィー技術および転写技術としてのホットエンボス技術、射出成型技術、ＰＤＭＳ転写技術等を挙げることができる。
【００１８】
２〜８インチのシリコン基板に２０μm〜２００μm厚のフォトレジスト膜を形成し、幅５０μm〜２００μmの流路幅の流路パターンを有するフォトマスクを介してＵＶ露光し、それを現像することによって、流路部分だけがフォトレジスト剤により凸に盛り上がったパターンを形成することができる。フォトレジスト剤は、たとえば、化薬マイクロケム社製ＳＵ−８、東京応化工業株式会社製ＴＭＭＲ（商標）S2000やＴＭＭＦ（商標）S2000などが好適である。このレジストパターン付きシリコン基板をそのまま転写用の鋳型に用いることができる。
【００１９】
しかし、これを離型する際に、フォトレジストがシリコン基板から、樹脂と一緒にはがれてしまうことがあるため、別の好適な鋳型の製作方法は、シリコン基板をエッチングし、シリコンでできた流路パターンを持つシリコン基板を鋳型にする鋳型の製作方法である。具体的にはシリコン基板にクロムを成膜し、リソグラフィ技術とウェットエッチングでクロムを流路パターンに形成した後、ディープＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）技術によりシリコンを所定の流路深さに相当する深さまで８５°〜９０°のテーパ形状にドライエッチングすることで当該鋳型を製作する。
【００２０】
また、別の好適な鋳型の製作方法は、シリコン基板にフォトレジストで、流路部が凹にへこんだ形状を製作し、その上に、無電解ニッケルメッキをおこない、成膜されたニッケルを離型する、いわゆる電鋳技術を用いる方法である。これにより、ニッケルでできた鋳型（金型）を作ることができる。
【００２１】
このシリコン基板を鋳型にして、ホットエンボス技術やＰＤＭＳ転写技術、射出成型技術により、樹脂製のマイクロ流体デバイスを製作することができる。
ホットエンボス技術は、加熱された熱可塑性の樹脂材料に、加熱した鋳型をプレスして、樹脂にパターンを転写する技術で、具体的には、樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）付近に加熱した鋳型を樹脂に押し付け、ガラス転移温度以下まで冷やしてから離型する。
【００２２】
射出成型技術は、熱可塑性樹脂材料をガラス転移点温度より５０℃〜１５０℃高い温度に加温して溶融させ、粘度を下げた状態で金型に高圧で充填することで金型形状を樹脂に転写する。熱硬化性樹脂で射出成型する場合は、加温して流動性をもたせた後、１５０℃程度の高温の金型へ注入し、硬化させる。
【００２３】
ＰＤＭＳ転写技術は、鋳型の中に液体状のＰＤＭＳとＰＤＭＳ架橋剤を流し込み、８０℃〜９０℃で加熱して架橋させ、弾性体状になった後に離型する。ＰＤＭＳの熱伝導率は、０．１５Ｗ・ｍ−１Ｋ−１〜０．３１Ｗ・ｍ−１Ｋ−１である。
【００２４】
熱可塑性の樹脂は、たとえば、いわゆるアクリル材料と呼ばれているＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレート）（熱伝導率：０．１７Ｗ・ｍ−１Ｋ−１〜０．２５Ｗ・ｍ−１Ｋ−１）や、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）、ＣＯＣ（シクロオレフィンコポリマー）、ポリカーボネイト（熱伝導率：０．１９Ｗ・ｍ−１Ｋ−１）、ポリスチレン（熱伝導率：０．１〜０．１４Ｗ・ｍ−１Ｋ−１）、ポリエチレン（熱伝導率：０．４６Ｗ・ｍ−１Ｋ−１〜０．５２Ｗ・ｍ−１Ｋ−１）、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂）（熱伝導率：０．１９Ｗ・ｍ−１Ｋ−１〜０．３３Ｗ・ｍ−１Ｋ−１）などである。熱硬化性の樹脂は、たとえば、ＰＥＥＫ（ポリエーテル・エーテル・ケトン樹脂：polyetheretherketone）（熱伝導率：０．２５Ｗ・ｍ−１Ｋ−１）である。
【００２５】
また、別の態様としては、石英ガラス基板をリソグラフィ技術でマスクした後、フッ酸ウェットエッチングやドライエッチング処理によって微細流路を形成する。もう1枚の石英ガラス基板をフッ酸希釈液塗布後に加圧することで接合する。石英ガラスの熱伝導率は１．４Ｗ・ｍ−１Ｋ−１である。
【００２６】
本発明において１枚のマイクロ流体デバイスの外形の大きさは、取り扱いの容易性やコンパクト性、製造の容易さの観点から、数cm×数cm程度の大きさであって、厚さが数mm程度、例えば、３〜５ｃｍ×７〜１０ｃｍの大きさであって、厚さが１ｍｍ〜３ｍｍである態様が好適である。また、マイクロ流体デバイスに流路を形成する場合、流路のサイズは、微量の流体を取り扱うことができれば特に制限はないが、例えば、幅、深さともに、３μｍ〜２００μｍ、より好ましくは５０〜１００μｍの流路を使用することが好ましい。なぜならば、１つ目の理由は流路内での混合や化学反応時間を短縮したいからである。微小流路内での流れは層流なので液体の混合は下記の式１、単純拡散の方程式で支配される。したがって、流路のサイズを小さくするほど、混合や反応時間を短縮できる。
【式１】
【００２７】
2008157932.tif 000003
【００２８】
たとえば変性剤の拡散係数Dは、10-11[m2/sec]、100μm幅の流路に２液が平行して流れている場合の拡散距離は50μmである。これらの条件下で式１を解くと、拡散時間はおよそ2分である。したがって、従来は数時間かかっていた分析や反応現象をおよそ１／１００ときわだって短い時間で完了できる。
【００２９】
また、２つ目の理由は、流路内を流れる液体の温度を高速で制御したいからである。液体の温度を高速で制御できると、２次反応による副生成物の生成を抑制して特定の化学反応だけを選択的に行うことが可能となり、反応収率を高めることができる。直径がφ１ｍｍの微細チューブから等価直径１００μmのマイクロ流体デバイスに変えて等価直径を１／１０にすれば熱伝達時間を１／１００と大幅に短縮できる。ここで、等価直径とは、等価水力直径とも呼ばれ、次式で定義される。
【式２】
【００３０】
2008157932.tif 000004
【００３１】
例えば、流路長さ１００μｍ、流路幅１００μｍの微小流路の等価直径は、１００μｍである。
流路の等価直径を小さくすれば、単位体積あたりの表面積（比表面積［μｍ２／μｍ３］）が大きくなるので、流体の単位体積あたりの流路の壁面を通じた熱伝達により受け取る熱流量が多くなるし、また、流路の壁面から流路中心までの距離が短くなるため熱伝達時間は短くなるからである。これを数式で表すと以下のようになる。すなわち、流路を流れる流体中の熱伝達時間は式３で表される。
【式３】
【００３２】
2008157932.tif 000005
【００３３】
このように分析や化学反応を従来の１／１００の時間に短縮できれば、従来の数時間〜十数時間もかかっていた電気泳動分析を１０分程度で実現でき、ＤＮＡ診断による食品の安全検査や水処理装置の運転条件のフィードバック制御など、迅速な分析が必要にもかかわらず要望にこたえることができなかった分野での利用が可能になる。
【００３４】
その一方、流路を狭くしすぎると管路抵抗が大きくなり、送液が困難になるため流路の幅、深さともに５０μｍ以上であることが好ましい。 
本発明においてマイクロ流体デバイスの材質は、特に限定されず、一般的に使用される素材を使用することができる。具体的には、例えば、ガラス、石英、プラスチックス（例えば、アクリル、ポリカーボネート、ＰＥＥＫ（ポリエーテル・エーテル・ケトン樹脂：polyetheretherketone）、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン：polydimethylsiloxane）などのシリコン樹脂などを使用することができる。本発明のマイクロ流体デバイスにおいては、複数の領域において異なる材質を使用することができる。例えば、精密かつ迅速な温度制御が必要な領域においては熱伝導率の高い素材を使用し、それ以外の領域には熱伝導率の低い素材を使用することが可能である。温度制御が必要な領域において熱伝導率の高い素材を使用すれば、ヒータやペルチェ素子で温度制御するとき、１つの温度制御領域全体が、目標温度に伝熱で伝わる時間を短くすることができる。さらに、１つの温度制御領域と、隣接する他の温度制御領域との間にある温度制御しない領域に、熱伝導率の低い素材を使用することで、２つの温度制御領域の間に流れる熱伝導による熱通過量を少なくすることができ、デバイス上の他の部位への熱拡散を少なくすることができる。したがって、ヒータやペルチェ素子に出力が小さい小型のものを選定できる。また、空隙部を設けることもないのでマイクロ流体デバイスに加えられるねじりや曲げを伴う外力に対して必要な強度を維持することができる。
複数の領域が異なる材質で構成されるマイクロ流体デバイスは、異なる材質、異なる金型で複数回の射出成型をおこなうことで製作することができる。たとえば、温度制御領域を融点１２０〜１４０℃のポリエチレン（熱伝導率：０．４６Ｗ・ｍ−１Ｋ−１〜０．５２Ｗ・ｍ−１Ｋ−１）で射出成型により製作し、つづいて、温度制御しない領域を融点９０〜１０５℃のＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレート）（熱伝導率：０．１７Ｗ・ｍ−１Ｋ−１〜０．２５Ｗ・ｍ−１Ｋ−１）で射出成型すれば、温度制御領域の熱伝導率を、温度制御しない領域の熱伝導率よりも低くできる。
【００３５】
本発明においてマイクロ流体デバイスは、温度制御する部位の近傍に開口部を備える。本発明において温度制御とは、温度を所定の温度まで加熱・冷却することのみならず、温度を一定の温度に維持することも含み、また、時間的に温度を変化させることも含むものである。また、後述するように、マイクロ流体デバイスの複数の部分を温度制御する場合には、複数の部分の温度を独立に制御してもよいし、両者を関連付けて制御することもできる。
【００３６】
本発明において温度制御する部位とは、マイクロ流体デバイスにおいて温度制御を行う部位をいう。温度制御を行う部位は、１つであっても複数あってもよいが、本発明は効率的で局所的な温度制御が可能であるため、本発明によれば、マイクロ流体デバイスの複数の部分を高精度に温度制御することが可能である。
【００３７】
本発明において、マイクロ流体デバイスのどの部位を温度制御するかについては、特に限定はない。例えば、具体的には、マイクロ流体デバイスの流路を含む部位、あるいは、リザーバーを含む部位を温度制御することができる。例えば、マイクロリアクター内のある流路において化学反応を温度制御された条件下で行う場合であって、化学反応を行う流路部分を温度制御する場合には、化学反応を行う流路部分が本発明における「温度制御する部位」に該当する。また、例えば、マイクロ流体デバイスにおいて複数の流体を温度制御された条件下で混合する場合であって、複数の流体が合流する部分を温度制御する場合には、複数の流体が合流する部分が本発明における「温度制御する部分」に該当する。その他、例えば、マイクロ流体デバイスにおいて分析操作や分離操作、あるいは培養操作などを行う場合において、分析操作が行われる部位、分離操作が行われる部位、培養操作が行われる部位を温度制御する場合、本発明を適用できることはいうまでもない。なお、マイクロ流体デバイスについては様々な種類のデバイスが開発されており、場合によっては、リザーバーや流路といった用語ではなく、デバイスの各部位を各部位の果たす機能に基づいて称する場合がある（例えば、送液部、反応部、分析部、分離部、培養部、検出部など）。このように称されている各部分を温度制御する場合であっても、本発明の技術的範囲が含まれることに変わりはない。このように本発明は、多岐にわたり、温度制御する必要がある場合には好適に利用することができる。
【００３８】
本発明において開口部とは、温度制御する部位の近傍に設けられた空隙領域であって、デバイスの上面または下面に向かって連通している空隙領域を意味する。本発明においては、デバイスの上面と下面の両方に連通している空隙を貫通孔といい、デバイスの上面または下面の一方のみに連通している（一方に天井がある）ものを凹部という。本発明においては開口部によって、外界との熱拡散ないし熱交換を行い、また、デバイス上の他の部位への熱拡散を防止する。
【００３９】
ここで熱拡散とは、熱伝導と同じ意味で用いている。一般に、熱伝導は物質の移動を伴わずに、物質内あるいは物質間を熱が移動していく現象のことであり、熱伝導率は次式で表される。
【式４】
【００４０】
2008157932.tif 000006
【００４１】
開口部を設けると、気体の熱伝導率は、空気２．４１×１０−２Ｗ・ｍ−１Ｋ−１）とマイクロ流体デバイスに一般に用いる材料の熱伝導率と比べて２桁低いことから、開口部に空気が充填されている場合は、断熱効果がある。したがって、温度制御する部位と隣接する他の領域との間に生じる熱伝導による熱通過量Ｑを少なくすることができ、デバイス上の他の部位への熱拡散を防止できる。
【００４２】
また、熱交換とは、熱伝達と同じ意味で用いている。熱伝達は、材料表面とそれに接する気体あるいは液体との間を熱が移動する現象のことであり、熱伝達率は次式で表される。
【式５】
【００４３】
2008157932.tif 000007
【００４４】
このように、本発明は、マイクロ流体デバイスの上面あるいは下面からの伝熱だけでなく、側面からの伝熱をも利用するので熱伝達に寄与する面積をより広くすることができるため、マイクロ流体デバイス表面だけからの熱伝達を利用する場合よりも伝達熱量を増やすことができる。また、開口部を流路の近傍に設けることは、熱伝導の式における材料厚さＬを薄くすることに相当するから熱通過量を多くできる。したがって、高精度かつ効率的な温度制御が可能になる。
【００４５】
上述のように、本発明において貫通孔は、温度制御する部位の近傍に存在し、マイクロ流体デバイスの厚さ方向に貫通しているものをいい、穴のように切り抜かれた、貫通孔の側面が周方向に閉じた形状のものだけでなく、周方向に開いた切り欠き形状のものをも包含する概念である。本発明においては貫通孔を設けることによって、後述するように複数のマイクロ流体デバイスを積層し、複数のマイクロ流体デバイスを一括して温度制御できるという点で、貫通孔を設ける本発明の態様は好適である。貫通孔の数は、１つであっても複数であってもよく、マイクロ流体デバイスの流路配置や強度などに応じて自由に設計することができる。また、貫通孔の形状についても特に制限はなく、例えば、円形、だ円形、多角形（方形、三角形、四角形、星形など）であってよい。星形多角形の貫通孔は孔の体積に対して表面積が大きいため、後述する熱交換を効率よくおこなうことができる。また、後述するように、複数の貫通孔を設ける場合、複数の貫通孔の配置に特に制限はないが、例えば、ハニカム状に配置したり、互い違いに配置することができる。このような配置にすることにより、孔を設けつつ、マイクロ流体デバイスへのねじりや曲げを伴う外力に対して必要な強度を維持することができる。
【００４６】
また、本発明においては、温度制御する部位の近傍に凹部を設けることができる。ここで、凹部とは、マイクロ流体デバイスを貫通はしないものの、マイクロ流体デバイスの厚さ方向に一定の深さまで設けられている溝である。好ましくは、微小流路の側面からの伝熱で温度制御できるように、微小流路の側面と同じ深さよりも深くまで設けられた溝である。貫通孔ではなく、凹部とすることによって、デバイスの断面２次モーメント、断面係数の低下が貫通孔の場合と比べて軽減されるので、機械的強度の低下を軽減させることが可能になる。また、例えば、マイクロ流体デバイスに高電圧を印加する場合、凹部を設けることが好ましい。すなわち、貫通孔を設けると、場合によっては電極からマイクロ流体デバイスの底面側の台に向かって貫通孔を通して望ましくない絶縁破壊により放電が生じることがある。しかし、凹部であれば、このような放電が生じないので、効果的に局所領域を効率よく温度制御できる。
【００４７】
本発明においては、本発明の貫通孔に熱交換のための流体を導入することによって、熱交換を行うことができる。熱媒体として利用できる流体に制限はないが、大気、窒素、酸素などの気体や、水、水溶液、アルコールなどの有機溶液などの液体、あるいは、粘性のあるゲルなどを使用することができる。特に、フロンと総称されるようなCFC類（クロロフルオロカーボン類）、HCFC類（ハイドロクロロフルオロカーボン類）、HFC類（ハイドロフルオロカーボン類）などの凝縮と蒸発の相変化を起こす物質を、熱交換流体として使用してもよい。このような流体の温度については、特に制限はないが、所望の温度に調整した流体を利用してもよいし、特に温度調整されていない流体を利用することもできる。所望の温度に調整された流体を利用すると、温度制御する部位を迅速に温度制御することが可能であり、好適である。一般に空冷、水冷などと称されるものは、本発明のこのような実施態様に含まれることを当業界の技術者であれば容易に理解できるであろう。また、本発明においては、貫通孔に熱交換部材を挿入することによって、望ましくは熱伝導率が１０Ｗ・ｍ−１Ｋ−１以上の熱交換部材を挿入することによって熱交換をおこなうことができる。この態様によれば、流体を送液するポンプが必要なくなるため、装置がコンパクトになる。
【００４８】
また、本発明においては、開口部の表面に単位時間あたりに伝達できる熱流量を増やすための加工を行うことも可能である。例えば、凹凸を設けることにより、表面積の大きい表面形状を採用することによって、熱抵抗を小さくできる。ここで熱抵抗とは、ある物体に１ワットの熱を加えたら何度上昇するかを表す数値であり、単位は「Ｋ／W」で表される。すなわち、熱抵抗は熱の伝わりやすさの逆数である。
【００４９】
熱抵抗は次式で表される。
【式６】
【００５０】
2008157932.tif 000008
【００５１】
したがって、熱伝導率が大きいほど、面積が大きいほど、長さが短いほど熱抵抗は小さく熱が伝わりやすい。そして、材料表面と流体間の温度差が大きいほど、熱通過量が大きい。具体的には、貫通孔の表面にねじ孔のような凹凸部を設けることで表面積を大きくすることができる。この態様においては、放熱フィンと同様の理由により熱抵抗を小さくできるので、好適である。
【００５２】
さらに、本発明においては、開口部の表面の素材については特に制限はないが、銅をはじめとする金属などの高熱伝導性の材料を使用してもよい。これによって、開口部の表面を介した熱交換の効率を高めることができる。また、後述するように、本発明においては、開口部の表面に熱交換部材を接触させて熱交換を促進することができる。この場合、本発明の開口部と熱交換部材とが十分に接触することが重要である。そこで、本発明においては、開口部の表面に弾性体を取り付けて、熱交換部材との確実な接触を図ることができる。例えば、熱伝導率が１Ｗ・ｍ−１Ｋ−１〜１０Ｗ・ｍ−１Ｋ−１の高熱伝導ゴム（たとえば信越シリコーン製ＴＣ−５０ＴＸ）や、市販の熱伝導用ＲＴＶゴムを用いてもよく、銅粉末を混練してから架橋硬化したようなゴム素材を開口部の表面に採用すれば、熱交換部材との十分な接触を確保し、高い熱伝導率を達成することができる。ゴム素材は、シリコーンゴム、とりわけ室温で硬化するＲＴＶ (Room Temperature Vulcanizable)ゴムが製作しやすいという点で好適である。熱伝導率の高さとコストの点で銅粉末が最適ではあるが、粉末は銅（熱伝導率４０３Ｗ・ｍ−１Ｋ−１）に限られることはなく熱伝導率が１０Ｗ・ｍ−１Ｋ−１以上の粉末であれば、たとえば、グラファイト粉末（熱伝導率８０−２３０Ｗ・ｍ−１Ｋ−１）、アルミニウム粉末（熱伝導率２３６Ｗ・ｍ−１Ｋ−１）、銀粉末（熱伝導率４２８Ｗ・ｍ−１Ｋ−１）など、いずれも粉末を混練しないときと比べて熱伝達を促進する効果がある。
【００５３】
上記は開口部の表面に弾性体を取り付けた場合について説明したが、貫通孔などの開口部に熱交換部材を挿入して熱交換する際に熱交換部材の表面を同様に熱伝導性のよい弾性体とすることができ、同様の効果が得られる。
【００５４】
本発明において、温度制御する部位の近傍とは、温度制御する部位を迅速に温度制御できる範囲内であることを意味する。マイクロ流体デバイスの流路配置など、各実施態様によって近傍の意味するところは変わりうるが、マイクロ流体デバイス内の流路中の流体を温度制御する場合、流路から数ｍｍ以内、好ましくは５０μｍ〜２ｍｍ以内、より好ましくは５０μｍ〜１ｍｍを温度制御する部位の近傍と考えることができる。従来の、マイクロ流体デバイス表面からの伝熱で流路内の流体の温度を制御する方法よりも熱伝導を良好にして温度制御性を向上させるためには、流路からデバイス表面までの距離よりも、流路と、開口部までの距離を短く設計することが望ましい。一般に、貼り合わせたマイクロ流体デバイスは、取扱上の容易さから厚さ１ｍｍ以上で製作するため、流路端面から１ｍｍ以下の距離に開口部を設けることで、従来の表面からの伝熱よりも高い熱交換の効果が得られる。
【００５５】
本発明においては、デバイス上の温度制御する部位とそれ以外の部位（隣接する異なる温度制御部位を含む）との間に、空隙を設けることができる。温度制御する部位とそれ以外の部位との間に熱拡散防止用の空隙を設けることによって、温度制御する部位とそれ以外の部位との間の熱移動を妨げることができ、デバイス上の各部位を局所的に温度制御することがより容易になる。空隙が熱移動を妨げる効果を有するのは、例えば、空隙部に空気が存在する場合、マイクロ流体デバイスによく用いられる材料である石英ガラスやアクリルの熱伝導率よりも空気の熱伝導率の方が1桁から2桁低いため、空隙によって熱伝導を防止することができるためである（石英ガラスの熱伝導率：１．４Ｗ・ｍ−１Ｋ−１、アクリルの熱伝導率：０．１７Ｗ・ｍ−１Ｋ−１〜０．２５Ｗ・ｍ−１Ｋ−１、空気の熱伝導率：２．４１×１０−２Ｗ・ｍ−１Ｋ−１）。
【００５６】
したがって、異なる２つの温度領域が隣接する場合と比べて空隙があると、空隙を通る熱流束（単位面積、単位時間あたりの熱流量）は無視でき、熱は、それ以外の部分を通って、２つの温度領域の間を流れる。したがって、２つの温度領域の間の熱抵抗が大きくなるため、流入もしくは流出する熱流量を少なくすることができる。このため、熱損失が少なくなるので、加熱ないしは冷却機構である、たとえばヒータやペルチェ素子の消費電力を小さくすることができ、よって、これらの機構を小型にすることができる。また、従来の空隙がないマイクロ流体デバイスの場合は、隣接する２つの温度領域の距離を近づけすぎると、熱損失が大きすぎる、すなわち、この２つの領域間に流れる熱流量が大きくなりすぎる問題があり、隣接する異なる２つの温度領域を温度制御するヒータやペルチェ素子の距離を近づけられなかったが、空隙部を設けることで、隣接する２つの温度領域の距離を短くすることができるので、マイクロ流体デバイスが小型化できる。さらに、２つの温度領域の距離を短くすることができれば、その２つの温度領域をまたがって通過する微小流路の中を流れる流体は、より短時間で1つ目の温度制御領域の設定温度から、2つ目の温度制御領域の設定温度に変化させることができる。このことにより、マイクロリアクタに用いる場合は、2次反応による副生成物の生成を抑制して、反応収率を高めることができる。
【００５７】
本発明において空隙の形状としては、種々のものを採用することができ、例えば、マイクロ流体デバイスの厚さ方向に貫通しているもの、デバイスの上面または下面の一方のみに連通しているもの、あるいは、マイクロ流体デバイスの内部に設けられたものなどを挙げることができる。
【００５８】
本発明において空隙に存在する物質は、マイクロ流体デバイスの材質よりも熱伝導率が低いものであればよい。例えば、空気のみならず、窒素ガスやアルゴンガスなどの気体を挙げることができる。本発明においては、最も簡便に効果が得られるため、空隙に空気が存在する態様が好適である。また、本発明においては、貫通孔内の圧力を減圧し、気体分子の密度を低くすることもできる。このようにすることによって、空隙部の熱伝導率をさらに低下させることができるため、熱移動の防止に高い効果がある。
【００５９】
本発明のマイクロ流体デバイスは、デバイス上の温度をモニターするための温度センサーを備えていてもよい。本発明に使用し得る温度センサーに、特に制限はなく、一般的に使用されるセンサーを使用することができる。具体的には、例えば、熱電対、測温抵抗体、サーミスタなどを挙げることができる。また、メッキ、蒸着、スパッタ、イオンプレーティング、貼付などの方法により、温度依存性のある金属の薄膜をマイクロ流体デバイスにパターニングし、温度センサーとしてもよい。また、マイクロ流体デバイスの寸法、材質などの条件により、温度センサーをデバイス上に固定することが困難であれば、放射温度計を使用して、温度をモニターすることも可能である。温度センサーの設置方法、設置位置は、温度をモニターしたい部位の温度が測定できればよく、特に制限はない。また、設置する温度センサーの数も特に制限はなく、複数のセンサーを設置してもよい。
【００６０】
本発明のマイクロ流体デバイスは、温度制御する領域の温度を適切に制御するための制御部を備えることができる。例えば、制御部を設けることによって、温度モニターにより実際に測定した温度と所望の温度との差を計算し、例えば、フィードバック制御によりマイクロ流体デバイスに与える熱量を調節することができる。また、マイクロ流体デバイス上の複数の部位を独立して温度制御する場合には、各部位が所望の温度となるよう、制御部によって温度制御することができる。さらに、経時的に温度を変化させる場合などは、制御部によって、マイクロ流体デバイスに与える熱量を経時的に調節してもよい。本発明においては、制御部として、演算機能を有するCPU等を含むコンピュータを使用することができる。ある態様において、本発明の制御部は、温度センサーからの入力信号を受け取ると、予め設定された目標温度と測定温度との間の差に基づいて、デバイスに与えるべき熱量を与えるよう信号を出力し、フィードバック制御等を実現する。このように、本発明においては、制御部によって、マイクロ流体デバイスの各領域の温度をそれぞれ独立して制御することもできるし、各領域の温度を関連づけて制御することも可能である。また、時間の進行に伴って、温度を経時的に制御することも可能である。
【００６１】
１つの側面において、本発明は、本明細書に記載のマイクロ流体デバイスの温度を制御する方法であって、マイクロ流体デバイスの開口部に、熱交換流体を導入あるいは熱交換部材を挿入する工程と、該熱交換流体または該熱交換部材を介してマイクロ流体デバイスと熱交換を行う工程とを含む、マイクロ流体デバイスの温度制御方法を提供する。
【００６２】
また、１つの側面において、本発明は、複数のマイクロ流体デバイスを一括して温度制御することができる。この場合、複数のマイクロ流体デバイスはすべて同じ構成を有するデバイスである必要はないが、貫通孔を有するデバイスであり、かつ、複数のマイクロ流体デバイスを積層した際に貫通孔に重なりあう部分が存在することが必要である。したがって、ある態様において本発明は、貫通孔を有するマイクロ流体デバイスの温度を制御する方法であって、複数のマイクロ流体デバイスを積層する工程と、積層されたマイクロ流体デバイスの貫通孔に、熱交換流体を導入あるいは熱交換部材を挿入する工程と、該熱交換流体または該熱交換部材を介してマイクロ流体デバイスと熱交換を行う工程とを含む、マイクロ流体デバイスの温度制御方法である。
【００６３】
本発明においては、マイクロ流体デバイスの開口部に熱交換流体を導入あるいは熱交換部材を挿入する。本発明においては熱交換流体とは、開口部に導入し、開口部と熱交換を行うための流体をいう。熱媒体として利用できる流体に制限はないが、大気、窒素、酸素などの気体や、水、水溶液、アルコールなどの有機溶液などの液体、あるいは、粘性のあるゲルなどを使用することができる。特に、フロンと総称されるようなCFC類、HCFC類、HFC類などの凝縮と蒸発の相変化を起こす物質を、熱交換流体として使用してもよい。このような流体の温度については、特に制限はないが、所望の温度に調整した流体を利用してもよいし、特に温度調整されていない流体を利用することもできる。所望の温度に調整された流体を利用すると、温度制御する部位を迅速に温度制御することが可能であり、好適である。一般に空冷、水冷などと称されるものは、本発明のこのような実施態様に含まれることを当業界の技術者であれば容易に理解できるであろう。
【００６４】
本発明においては、熱交換部材に特に制限はないが、中空の部材あるいは中実の部材を使用することができる。中空の部材を使用する場合には、中空の熱交換部材内に流体を流すことによって、マイクロ流体デバイスの温度制御をより精密かつ迅速に行うことができる。中実の部材を使用する場合には、例えば、熱交換部材にヒーターなどの加熱冷却源を接続したり、熱交換部材に気体を接触させることによって熱交換部材の温度を制御し、それによって、マイクロ流体デバイスの温度制御を行うことができる。
【００６５】
このとき、熱交換部材に、熱伝導率の高い、弾性材料でできた中空のチューブ状を用い、チューブ内に流体を流すことができる。チューブの外径を開口部の大きさよりも小さくしておき、熱交換部材をマイクロ流体デバイスの開口部に挿入する際に熱交換部材の内圧を低くしておけば、容易に熱交換部材を挿入できる。熱交換部材に流体を流す際にチューブの内圧を高くすれば、熱交換部材が弾性変形して広がり、チューブ外壁が開口部の内壁に密着するので熱伝導性が高まり、伝達熱量を増やすことができる。チューブ形状、開口部形状は円形に限られることはなく、たとえば市販の半円形の断面を持つ熱交換チューブを用いてもよい。
【００６６】
また、本発明の１つの態様において、デバイスに挿入された熱交換部材が、温度制御する部位に近い側では開口部の側面に接し、温度制御する部位から遠い側では開口部の側面に接していない。この態様によれば、温度制御する部位とは積極的に熱交換を行う一方で、温度制御する部位から他の部位への熱移動を抑えることができる点で、好適である。
【００６７】
本発明においては、熱交換部材の形状に特に制限はないが、例えば、丸状、ブロック状、直方体でも多角形でもよい。また、本発明においては、熱交換部材の先端を先細り形状にすることができる。先端が先細り形状であると、マイクロ流体デバイスへの挿入工程が容易になるため、好適である。具体的には、円錐形状、角錐形状、片刃形状などの先細り形状にすることができる。
【００６８】
また、本発明における熱交換部材の材質にも特に制限はないが、例えば、熱交換部材の表面を弾性体にすることができる。このようにすることによって、熱交換部材とマイクロ流体デバイスの密着性を高め、熱抵抗を小さくすることが可能である。また、本発明においては、熱伝導性グリース等を使用することによって、熱交換部材とマイクロ流体デバイスの密着性を高めることも可能である。さらに、熱交換部材の熱伝導率を高くすることによって、マイクロ流体デバイスの温度制御領域内での温度の面内均一性を高めることができる。例えば、熱交換部材を熱伝導率１０Ｗｍ−１Ｋ−１以上の材質から構成させると、温度制御が容易になり好適である。マイクロ流体デバイスを形成している材質よりも熱伝導率が１０倍以上と高い材質で熱交換部材を構成すれば、デバイス内を伝熱するよりも、デバイスと熱交換部材の間で確実に熱が伝わるし、熱交換部材内での温度差も小さくなるため、温度の均一性が向上するからである。このような高い熱伝導率を持つ材料としては、具体的には、アルミニウム、銅などの金属を挙げることができる。
【００６９】
本発明においては、熱交換部材にはヒーターなどの加熱冷却源を接続することができる。加熱手段としては、一般的な電熱線、ラバーヒーターなどを使用できる。ペルチェ素子を使用すれば、加熱・冷却ができるので、より応答性がよく精密に広範囲な温度制御が可能となる。またメッキ、蒸着、スパッタ、イオンプレーティング、貼付などにより、高い電気抵抗を持つ金属の薄膜を、直接マイクロ流体デバイス本体にパターニングし、ヒーターとして設けてもよい。また酸化インジウムスズなどの透明導電膜をヒーターとして設けてもよいし、また、加熱・冷却効率を高めるためにヒートブロック、ヒートパイプ、ヒートシンク、送風ファンなどの伝熱補助手段を併用することもできる。このような加熱・冷却手段は当業者に公知である。
【００７０】
また別の側面において、本発明は、上述のマイクロ流体デバイスと、マイクロ流体デバイスの開口部に導入ないし挿入するための熱交換流体または熱交換部材とを含む、マイクロ流体デバイスの温度制御システムを提供する。
【００７１】
さらに他の側面において、本発明は、マイクロ流体デバイス載置台と、マイクロ流体デバイスの開口部に導入ないし挿入するための熱交換流体または熱交換部材を有する温度制御機構と、当該温度制御機構と当該マイクロ流体デバイス載置台との位置を相互に移動させる移動機構とを備える、上述のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスの温度制御システムを提供する。
【００７２】
本発明においてマイクロ流体デバイスの載置台とはマイクロ流体デバイスを、その上面に載置するための台である。マイクロ流体デバイスを下面からも温度制御する場合には、この載置台に温度機構を設けることができる。また、載置台の上面にはマイクロ流体デバイスの配置位置を容易に位置決めすることができるように、ピンや窪み、ガイド溝などを設けてもよい。また、分析をおこなうための光学素子や電極などを設置してもよい。
【００７３】
本発明において温度制御機構とは、マイクロ流体デバイスの開口部に熱交換流体を導入あるいは熱交換部材を挿入するものである。例えば、この温度制御機構は載置台の上にセットしたマイクロ流体デバイスの上面に密着するように移動できるように後述する移動機構に接続されている。温度制御機構は、温度制御機構は、たとえば密着面にラバーヒーターやヒーター、ペルチェ素子などと接続した銅ブロックを設ける様態である。また、液体や空気を送風、送液するためのノズルを設ける様態である。この場合は、空気や液体がマイクロ流体デバイスの他の表面に漏れないよう、温度制御領域内でシールされるよう、ノズルの周りにシリコンゴム、ニトリルゴムなどでできたシールを設ける。また、熱交換部材である銅の棒材を設ける。
【００７４】
本発明において移動機構とは温度制御機構をマイクロ流体デバイスと脱着させるための移動機構である。好適な例は鉛直方向に昇降移動する昇降ステージである。その一様態は、リニアブッシュやリニアガイドなどのガイド機構と、ボールネジとモーターや、空圧（水圧や油圧でもよい）シリンダなどのアクチュエーター、で構成される昇降ステージである。移動機構の構成は昇降運動するステージだけに限定されるのではなく回転運動する様態でもよい。さらに、この温度制御機構を移動機構で密着させた際、温度制御機構、もしくはマイクロ流体デバイスを破損しないように、温度制御機構と移動機構の間に弾性体を挟むのは好適である。ラバーヒーターやノズルの周囲のシールがこの役割を担う場合もある。また、力センサーで、密着力が一定になるように制御することもあるし、圧縮空気や油圧・水圧の圧力で密着力を制御する場合もある。
【００７５】
以下、本発明の各種態様について、図面を参照しつつ説明するが、本発明は以下の具体的な態様に限定されるものではない。
図１は、マイクロ流体デバイス内の微小流路の近傍に複数の貫通孔を開けた態様を示す模式図である。この実施態様においては、貫通孔に対して、熱交換流体を導入することにより、効率的に温度制御することができる。例えば、貫通孔に空気を送風したり、液体を流し込むことによって、貫通孔の近くの温度を制御することができる。また、後述するように、貫通孔に熱交換部材を挿入することによって、貫通孔を介した温度制御を行うこともできる。従来のようにデバイスの上面あるいは下面から温度制御すると、デバイスの厚さ方向に温度勾配が生じてしまうところ、本発明によれば、極めて高精度に特定の部位を温度制御することが可能である。
【００７６】
図２は、図１に示すようなマイクロ流体デバイスにおいて、貫通孔に棒状の熱交換部材を挿入した様子を示す断面図である。図２Ａの態様においては、棒状部材の先端は先細り形状である。熱交換部材の直径、開口部の直径ともにφ２ｍｍで製作されているが、公差によって、ゆるいはめ合わせとなっており、お互いの間には５０μｍの隙間がある。さらに、熱交換部材の表面と開口部の表面には熱伝導用シリコーングリースが塗布してあり、熱交換部材を開口部に挿入した時、この隙間はシリコーングリースにより充填される。シリコーングリースは、たとえば市販の信越化学工業製シリコーングリースＸ−２３−７７９５（熱伝導率：２．２Ｗ・ｍ−１Ｋ−１）を用いることができる。熱伝導率がマイクロ流体デバイスの素材の熱伝導率よりも高いこと、熱交換部材と開口部とのはめ合わせ寸法差（円形であれば開口部の直径と熱交換部材直径の差）を２０μｍ〜１００μｍにすることが挿入の容易性、単位時間あたりに伝達できる熱流量を増やす上で望ましい。この態様によれば、貫通孔への熱交換部材の挿入が容易になる。
【００７７】
さらに、図２Ｂの態様においては、開口部が先細り形状、いわゆる面取り加工が施してある。これにより、棒状の熱交換部材の挿入がさらに容易になる。
また、図２Ｃの態様においては、棒状の熱交換部材の表面を弾性体にしている。上述した隙間を熱伝導グリースで塗布する方法は、用途によっては望ましくない場合がある。たとえば、マイクロ流体デバイスをディスポーザル、すなわち１回切りの使い捨てにするのではなく、洗浄工程により洗浄して再利用する場合、洗浄中にグリースが微細流路内壁に付着してしまい電気浸透流特性や微量検体の吸着特性が変化してしまう問題が生じる場合である。このような問題がある場合、図２Ｃの態様によれば、開口部と熱交換部材との間は弾性体の弾性変形により隙間なく密着できるので、グリースを用いることなく伝熱することができる。この場合は、隙間なく密着させるため、熱交換部材の外形寸法が開口部の寸法よりも大きい、いわゆる、しまりばめになっていることが好ましい。
【００７８】
１つの態様において、銅などの熱伝導率の高い素材からなる中実の棒状部材を熱交換部材として貫通孔に挿入し、貫通孔に密着させた上で、この棒状部材の温度を制御することによって貫通孔近傍の温度を制御することができる。例えば、棒状部材として銅の棒を使用し、銅の棒を空冷あるいは水冷して温度制御すると、銅の棒を介して貫通孔の表面に熱が伝わり、貫通孔近傍の温度を精度よく制御することができる。また、銅の棒にヒートパイプを接続して、別の場所で熱交換してもよい。
【００７９】
他の態様において、棒状部材として中空の部材を使用することができる。この場合、中実の棒状部材の場合と同様にして棒状部材の温度を制御してもよいが、棒状部材の中に流体を流すことによって温度制御することもできる。例えば、気体を流してもいいし、水、冷媒などの液体、あるいはゲル状物質を流すこともできる。また、フロンのように凝縮・蒸発するものでもいいし、中に銅の細線などで作ったウィックをつめて毛細管現象で凝縮した流体の移動を容易にしてもよい。
【００８０】
図３は、図１に示すようなマイクロ流体デバイスにおいて、貫通孔に流体を導入する場合の一態様を示す模式図である。すなわち、本発明のマイクロ流体デバイスの貫通孔に流体を導入する際、図３に示すようなプラグを利用して流体を導入すると、デバイス全体ではなく貫通孔のみを選択的に加熱冷却することができ、好適である。また、図３のように、プラグ先端を先細り形状にすれば、取り付けにネジ込んだり、工具を使う必要がなく、抜き差しが容易であり、また、プラグ先端の先細り形状の最大直径から最小直径の間の許容できる範囲内であれば、さまざまな径の貫通孔に対して確実に装着できる。プラグは、好適にはポリプロピレンなどの弾性材料でできていることが望ましい。なぜならば、貫通孔に装着した際、弾性変形して確実に装着でき、内部に高圧空気や高圧水を送っても外れることがないからである。また、プラグは耐熱性のある材質であることが望ましい。たとえばポリプロピレン製であれば、オートクレーブ滅菌が可能であるため、生物試料を取り扱う際に好適である。
【００８１】
図４は、マイクロ流体デバイス内の微小流路の近傍に貫通孔を流路の両サイドに１つずつ設けた態様を示す模式図である。この実施態様においても、貫通孔に対して熱交換流体を導入したり、熱交換部材を挿入することによって、貫通孔を介した温度制御を行うこともできる。
【００８２】
図５は、マイクロ流体デバイス内の微小流路の近傍に切り欠き部を流路の両サイドに１つずつが設けた態様を示す模式図である。この実施態様においては、切り欠き部がマイクロ流体デバイスの幅方向に開口している。本実施態様においても、貫通孔に対して熱交換流体を導入したり熱交換部材を挿入することによって、貫通孔を介した温度制御ができることに変わりはない。
【００８３】
図６においては、図４に示すようなマイクロ流体デバイスにおいて、貫通孔にコの字型の熱交換部材を挿入する場合を示す模式図である。本態様においては、ペルチェ素子と接続されたコの字型の熱交換部材と平板状部材とによって、マイクロ流体デバイスの流路を包むことによって、流路を温度制御している。この場合、コの字型部材と平板状部材の素材として熱伝導率が高い材料を採用すると、流路を高い熱伝導率を持つ物質で囲むことができるため、効率的で均一な温度制御を達成することができる。また、本態様においては、コの字型部材の内側のみがマイクロ流体デバイスに接触し、コの字型部材の外側がマイクロ流体デバイスから隔離している。本態様によれば、デバイス上の流路部分のみを局所的に加熱・冷却することができ、流路部分とその他の部分とを熱絶縁できるため、本態様においては、流路部分のみを局所的に温度制御することが可能である。さらに、本態様の平板状部材にペルチェ素子を搭載してもよい。このように、本態様においては、チップを上下ではさみ込む操作のみでコの字部材をマイクロ流体デバイスの貫通穴に挿入できるので、簡単な機械的駆動機構を有する装置によってマイクロ流体デバイスの温度制御が可能である。
【００８４】
図７は、上記のコの字型熱交換部材のマイクロ流体デバイスに接触する面を先細り状にした例を示す模式図である。この態様によれば、マイクロ流体デバイスの温度制御する部位と熱交換部材との密着性を高めることができ、好適である。先細り形状にすることにより、熱交換部材もマイクロ流体デバイスも、仕上がり寸法許容値を大きくしても確実に装着でき、かつ密着できる。また、先細り形状にすることにより、熱交換部材が若干ずれて挿入されても、熱交換部材を鉛直方向に挿入動作をするだけで、相対的な位置ずれを補正するようにマイクロ流体デバイスが自ら水平方向に移動する、いわゆるセルフアライン機能が実現される。
【００８５】
図８は、幅が可変なコの字型熱交換部材を示す図である。この態様によれば、幅を広げた状態でヘッドを降ろし、チップに接触してから幅を狭めることが可能であり好適である。幅の調節は、例えば圧縮空気で駆動することによって行うことができる。本態様によれば、熱交換部材をマイクロ流体デバイスに挿入する際、両者が擦れるという課題を解決しつつ、熱交換部材とマイクロ流体デバイスとの密着性を高められる。また、本態様の熱交換部材によれば、幅の異なるさまざまな流路形状のチップに対応でき、汎用性が高い。
【００８６】
図９は、本発明の貫通孔の一態様を示す断面図である。本態様においては、貫通孔の壁面に凹凸が設けられており、貫通孔表面の面積が大きいため、貫通孔を介した熱交換の効率を高めることが可能である。具体的には、例えば、貫通孔の表面にねじ孔のような凹凸部を設けることができる。
【００８７】
図１０は、本発明の貫通孔の一態様を示す断面図である。本態様においては、貫通孔が先細り形状とされており、貫通孔に流体を流し込むことや、棒状部材を挿入することが容易であり、また、棒状部材と貫通孔との接触を確実にすることができる。
【００８８】
図１１は、温度制御する流路の両サイドに凹部を設けたマイクロ流体デバイスを示す概略図である。本態様においては、凹部が、マイクロ流体デバイスの厚さ方向に貫通していないため、マイクロ流体デバイスの強度を維持することが可能である。本態様のマイクロ流体デバイスにおいては、凹部から熱交換をすることができるため、温度制御の対象である流路を効率よく、高精度かつ迅速に温度制御することができる。図１１に示すように、本態様においては、凹部に適合するような熱交換部材を凹部に接触させることにより、流路を温度制御することが可能である。また、種々の温度の流体を凹部に流して温度制御してもよく、例えば、熱伝導率の高い物質を採用することにより、迅速な熱交換が可能になる。
【００８９】
図１２は、熱伝導防止用の空隙部を設けたマイクロ流体デバイスを示す模式図である。本態様によれば、空隙部によってデバイス上の熱の流れが阻害されるので、マイクロ流体デバイスの複数の領域を異なる温度に独立して制御することが容易になる。
【００９０】
すなわち、温度制御する部位が複数あり、その温度が異なる場合には、その部位の間では、熱伝導により熱が移動しようとする。しかし、熱が流れる経路の途中に空隙部を設けることにより、熱が通過する経路の熱抵抗が大きくなるので、それぞれの部位の間を通過する熱量を減らすことができる。すなわち、所定の温度に制御しようとして、温度制する部位に加熱もしくは冷却する際に必要な熱量を小さくできるため、消費電力が小さくなる。このため、ヒータやペルチェ素子を小型化することができる。
【００９１】
図１３〜１６は、熱伝導防止用の空隙部の断面を示す図である。本発明において空隙部は、マイクロ流体デバイスの厚さ方向に貫通している態様（図１３）、マイクロ流体デバイスの厚さ方向に一方のみ通じている態様（図１４）、マイクロ流体デバイスの両面から窪みが設けられている態様（図１５）、マイクロ流体デバイスの内部に空隙部が設けられている態様（図１６）などにすることができる。
【００９２】
マイクロ流体デバイスは、1枚目の板に微細流路を製作し、2枚目の板を、1枚目の板に貼り合わせることで製作するが、空隙部がマイクロ流体デバイスの厚さ方向に貫通している図１３の態様では、2枚の板を貼り合せた後に空隙部を機械加工により製作できるため、汎用のマイクロ流体デバイスに対して、必要に応じて任意の場所に空隙部の位置を設定して加工することができる。
【００９３】
マイクロ流体デバイス表面の両面から窪みが設けられている図１５Ａの態様によれば、２枚の板の貼り合わせ面の面積が減らないので空隙部を設けても、貼り合わせ面の貼り合わせ強度が低下することがない。また、図１５Ｂのように、窪み深さを微細流路と重ならない深さにすることで、微細流路のパターンの真上、真下にも空隙部を配置できる。すなわち、微細流路と位置的な干渉がなくなる。したがって、異なる温度制御する部位の間での熱の通過を防止したくても、その間を通る流路の形状によって、貫通した空隙や内部に空隙を設ける態様では空隙部が十分に配置できず所望の熱抵抗が得られない場合、この態様の空隙部を設けることによって、所望の熱抵抗を得ることができる。
【００９４】
また、マイクロ流体デバイスの内部に空隙部が設けられている図１６の態様は、1枚目の板と2枚目の板の貼り合わせ面側に窪みを設けておき、2枚を貼り合わせることで製作する。この態様ならばマイクロ流体デバイスの表面には窪みや貫通穴が現れないため、表面を溶剤や水で洗浄しても、窪みや貫通穴に液体が溜まることがないし、不織布クロスなどで拭き取り洗浄した場合に引っかかることもない。また、窪みや貫通穴に異物が溜まることもないため、空隙部の熱伝導防止交換を安定に発揮することができる。さらに、図１３、図１４、図１５の態様では、貫通穴や溝状の窪みによる空隙部を配置することによってマイクロ流体デバイスの機械的強度が低くなり、取扱い中にたわみやすい、割れてしまう、などの問題が発生する場合があるが、図１６のようにマイクロ流体デバイスの内部に空隙部を設けるようにすれば、マイクロ流体デバイス断面の断面２次モーメントの低下を低減できるため、機械的強度を損なうことなく自由に空隙部を配置することができる。
【００９５】
なお、上述したいずれの空隙部の場合も、2枚の板を貼り合わせる際に、貫通孔や窪みの形状がお互いに完全に同じ形状である必要はなく、お互いに重なりあった領域があればよいし、また、同一の形状であったとしても、貼り合わせの際に貼り合わせ位置が完全に一致しなくても、重なり合った領域があればよい。
【００９６】
図１７は、空隙部を格子状に設けた態様を示す。本態様のように空隙部を格子状に配列することによって、デバイスの機械的強度を維持しつつ、デバイスの複数の温度領域間の熱絶縁性を高めることが可能である。空隙の形状は、正六角形でハニカム状に配置することが最良であるが、正多角形、たとえば、正三角形、正方形、正八角形も好適である。また、隣接する空隙部の間に残る格子の幅は、デバイスの板厚の１／２以上、デバイスの板厚の2倍の長さ以下、より好ましくは、デバイスの板厚の１／２以上、デバイスの板厚以下の長さであると、熱絶縁性を高め、かつ、デバイスの機械的強度を維持する上で好ましい。
【００９７】
図１８は、複数のマイクロ流体デバイスを積層し、積層したマイクロ流体デバイスの貫通孔に棒状の熱交換部材を突き刺して、複数のマイクロ流体デバイスを一括して温度制御する態様を示す模式図である。熱交換部材の直径はφ２ｍｍ、熱交換部材から微細流路端面までの距離は５００μｍで、開口部の直径はφ２．１ｍｍである。熱交換部材とマイクロ流体デバイスの隙間に空気層があると熱が伝わりにくくなるため熱交換部材を挿入する前に、あらかじめマイクロ流体デバイスの開口部を熱伝導率がマイクロ流体デバイスの熱伝導率よりも高い熱伝導グリースで充填しておき、熱交換部材を挿入することで、熱交換部材と開口部の間に熱伝導グリースの層を隙間なく充填することができる。
【００９８】
この態様によれば、複数のマイクロ流体デバイスを均一かつ迅速に温度制御することができ、ハイスループットな化学操作が可能である点で極めて好適である。特に、従来の温度制御方法では、主に表面から熱交換を行っているため、複数のマイクロ流体デバイスを積層させた場合、加熱冷却源から離れているマイクロ流体デバイスの温度制御が困難であったところ、本発明によれば、複数のマイクロ流体デバイスを均一に高精度かつ迅速に温度制御することが可能である。この場合、熱交換部材の材料として、熱伝導率の高い銅、アルミなどが最良であるが、熱交換部材の熱伝導率がマイクロ流体デバイスの熱伝導率の１０倍以上であることが好ましい。具体的にはマイクロ流体デバイスの熱伝導率が０．１〜１０Ｗ・ｍ−１Ｋ−１、熱交換部材の熱伝導率が１００Ｗ・ｍ−１Ｋ−１以上の様態が好適である。
【００９９】
図１９Ａは、１つのマイクロ流体デバイスの２つの領域を温度制御する態様を示すものである。この態様においては、マイクロ流体デバイスのある流路を温度Ｔ１に、他の流路を温度Ｔ２に制御することができる。例えば、本態様においては、温度Ｔ１に制御された第１の温度制御部位において化学物質Ａと化学物質Ｂとを混合および反応させ、温度Ｔ２に制御された第２の温度制御部位において化学物質Ｃを加えて反応を停止または完了させることができる。
【０１００】
図１９Ｂは、図１９Ａに示すようなマイクロ流体デバイスを一括して温度制御する態様を示す断面図である。本態様においては、３枚の積層されたマイクロ流体デバイスに、コの字型の熱交換部材を接触させて、温度制御を行っている。例えば、本態様においては、第１の熱交換部材によって第１の流路を温度Ｔ１に制御し、第２の熱交換部材によって第２の流路を温度Ｔ２に制御することができる。このとき、図１９Ｂに示したように、温度制御する流路に近い側に熱交換部材を接触させ、温度制御する流路から遠い側には熱交換部材を接触させないことによって、２つの領域の間を熱絶縁し、２つの流路を独立して温度制御することが容易になる。
【０１０１】
図２０は、本発明の温度制御システムの装置構成の１態様を示す模式図である。本態様においては、マイクロ流体デバイスを載置台に搭載し、移動機構に接続された温度制御機構を上からマイクロ流体デバイスに密着させる。このような構成にすれば、取り扱いが便利である。載置台や温度制御機構に、電極や化学物質の入出力ポートを内蔵してもよい。例えば、電極は、電気浸透流や電気泳動をおこなうために用いる。このような構成を温度制御機構や載置台に内蔵することで、自動制御しやすくなる。
【０１０２】
図２１Ａおよび図２１Ｂは、本発明の温度制御システムの装置構成の１態様を示す模式図である。本態様においては、移動機構は、回転運動により温度制御機構をマイクロ流体デバイスに密着させられる。
【０１０３】
図２２は、コの字型の熱交換部材を有する温度制御機構を示す図である。熱交換部材は銅製のブロックであり、裏面には図示しないペルチェ素子とヒートシンクが接続されている。温度制御機構を移動機構で昇降させると、このコの字型の熱交換部材がマイクロ流体デバイスの温度制御部に開けられた角穴の貫通孔に挿入される。このような温度制御機構を移動機構に接続することによって、マイクロ流体デバイスを容易に精度よく温度制御することが可能になる。
【０１０４】
一つの態様において、温度制御機構の中に、ペルチェ素子と裏面で接続された銅のコの字型熱交換部材による加熱部を内蔵させることが可能である。加熱部は、その発生する熱が温度制御機構全体に拡散しないように工夫してある。すなわち、まず、銅ブロックは、その周囲に厚さ0.8mmと薄い帯状のステンレスを曲げ加工して作った長方形のフレームの中に入れ、4箇所でM4のステンレスボルトで固定する。さらに、温度制御機構に、そのステンレス製のフレームより一回り大きい角穴を開け、その中に当該フレームを挿入し、M4のステンレスボルトで固定する。このように銅ブロックと温度制御機構の間を熱伝導率の低いステンレス材料で作った断面積の小さいフレームで接続することにより、熱伝達効率を悪くしている。もちろん、この様態は、１つの様態にすぎず、材質、寸法はこれに限られるものではない。
【０１０５】
こうして熱伝達効率を低くすることで、たとえば加熱部のすぐ近くにＤＮＡ分析をおこなうための光学検出窓を配置することができる。こうした工夫がなければ、ガラスレンズは熱変形して集光しないし、光学フィルタは性能が劣化してしまう。たとえば、この光学検出窓は、石英ガラス製のレンズであり、図示しない光ファイバと接続されている。光ファイバを通して、365nmの励起光を流路に当てる。ＤＮＡには468nmで発光する蛍光色素マーカをつけておく。365nmの光を吸収する光学フィルタを介しての散乱光の光量を検出することでＤＮＡの検出をおこなうことができる。
【０１０６】
また、貫通孔に冷却用の空気を送風するための送風口を備えることも可能である。この図では、送風した空気が貫通孔の外のチップ表面に漏れないように、送風口の周りをシリコンゴム製のシールで囲み、温度制御機構を移動機構で上からマイクロ流体デバイスに密着させると、同時に、このシールがマイクロ流体デバイスと密着するようになっている。
【０１０７】
本発明の温度制御技術を利用することができる化学反応、分離方法、分析方法に特に制限はないが、以下、ゲル電気泳動により核酸試料を分離する実施態様を例にとって説明する。
【０１０８】
図２３Ａは、本発明の温度制御技術を利用してゲル電気泳動を行う場合のマイクロ流体デバイスの一態様を示す図である。図２３Ｂは側面図である。このシステムは試料導入流路、分離流路、リザーバーより構成されており、試料導入流路、分離流路、リザーバーの全体に核酸変性剤（尿素やホルムアミドなど）と分子篩い分け能を持つ高分子（ヒドロキシメチルセルロース、直鎖ポリアクリルアミドなど）を含む緩衝液が充填されている。各リザーバーには電気泳動のために必要な電圧印加のための電極が接続されており、電源は電極に接続されている。電極と電源は図には示されていない。本態様において、試料導入部の試料導入用流路近傍には、ハニカム構造の複数の穴が設けられている。また、検出部にも、ハニカム構造の穴が設けられている。電気泳動部には、熱交換部材が入るための角穴が設けられている。
【０１０９】
塩基配列が異なり長さが等しい複数のＤＮＡ断片を分離分析するCDGE(Constant denaturant gel electrophoresis：変性剤の濃度を一定にしたゲル電気泳動)においては、試料導入部、電気泳動部、検出部の温度をそれぞれ好適な温度にすることによって、高精度かつ迅速な分析が可能になる。すなわち、CDGEにおいては、試料導入部は二本鎖ＤＮＡの変性が起こらないよう対象二本鎖ＤＮＡの融解温度（1本鎖ＤＮＡに解離する温度）以下にする必要がある。二本鎖ＤＮＡの融解温度はＤＮＡの長さ、GC含量、曝される変性剤濃度に依存するが、例えば、二本鎖核酸の長さが２００ｂｐであれば、変性剤濃度が６０％であれば５０℃以下にするのがよい。好ましくは１０℃以上４０℃以下であり、さらに好ましくは２０℃から３５℃である。
【０１１０】
一方で、電気泳動部の温度は分離する複数の二本鎖ＤＮＡの融解温度付近に設定することがCDGE分離を達成するためには重要な条件である。CDGEでは一端にＤＮＡ変性剤濃度が高くても一本鎖ＤＮＡに解離しにくい人工的なＤＮＡ配列（ＧＣクランプ）を付けてＰＣＲ増幅した二本鎖ＤＮＡを電気泳動すると、ある変性剤濃度及びある温度において、ＧＣクランプがついていない側の二本鎖ＤＮＡが一本鎖ＤＮＡに解離し、移動速度が小さくなるため、移動距離に差が生じ、二本鎖ＤＮＡを塩基配列の違いによって分離することができる。この温度は上述のとおり、ＤＮＡの長さ、GC含量、曝される変性剤濃度に依存する。一般的には30℃〜７0℃で行われる。この電気泳動部の設定温度（以下、分離温度という）は分析対象となる二本鎖ＤＮＡの融解温度を予備実験により測定したり、均一変性剤濃度勾配ゲル電気泳動や変性剤濃度勾配ゲル電気泳動（DGGE：Denaturing Gradient Gel Electrophoresis）により決定したり、ＤＮＡ配列より計算により予測したり、文献から検討することにより、設定できる。
【０１１１】
検出部の温度は分離温度以下に設定することがよい。好ましくは10℃〜50℃であり、さらに好ましくは20℃〜40℃である。検出方法で最も一般的に用いられる蛍光検出法を用いた場合、蛍光物質をＤＮＡに結合させたり、二本鎖ＤＮＡに結合することにより蛍光を発するインターカレーターのような物質を緩衝液に混ぜることで検出される。これらの蛍光物質やインターカレーターを用いた検出では高温になるにしたがい、蛍光強度が小さくなり、検出感度が低下するという問題を持っている。さらにインターカレーターはＤＮＡが変性して一本鎖となると結合できなくなるため、蛍光強度が極めて小さくなるという問題がある。そのため、検出感度の低下を防ぐためには検出部の温度は分離温度以下に設定することが好ましい。
【０１１２】
以下、ＣＤＧＥ法によるＤＮＡ分離分析をおこなう場合の運転手順を説明する。
試料リザーバーには分離対象となる二本鎖ＤＮＡが充填される。試料廃液リザーバーと試料リザーバーの間に電圧を印加させることにより、試料リザーバーに充填された二本鎖ＤＮＡは試料導入流路を通り試料廃液リザーバーの方向へ移動する。二本鎖ＤＮＡが試料導入流路と分離流路の接点を通過した後に廃液リザーバーと緩衝液リザーバーの間に電圧を印加させることにより、試料導入流路と分離流路の接点付近の二本鎖ＤＮＡは分離流路を廃液リザーバーの方向へ移動する。このとき、二本鎖ＤＮＡは均一変性剤濃度ゲル電気泳動の原理により、分離が行なわれ、検出位置で検出される。
【０１１３】
今回のマイクロ流体デバイスの試料導入部と検出部はハニカム構造の穴（熱伝導防止用空隙）をもつことで、電気泳動部の熱が伝わりにくく、室温の空気により冷やされるため、特別な冷却装置は必要としない。このことにより、装置の価格も安くすることができ、実用上効果的である。
【０１１４】
また、CDGEは最低の精度でも１℃単位で厳密に温度制御をする必要があるが、本態様においては電気泳動部に穴（貫通孔）が開いており、そこに図示しないが、図６のようなコの字型の熱交換部材を挿入し、ペルチェ素子と接続されたコの字型の熱交換部材と平板状部材とによって、マイクロ流体デバイスの流路を包むことによって、流路を温度制御する。流路全体が熱伝導率の高い銅ブロックにより包まれ、かつ、コの字型部材の外側がマイクロ流体デバイスから隔離されているため、その他の部分と熱絶縁できる。よって本態様においては、流路部分のみを高精度に温度制御可能で、高い再現性が得られる。
【０１１５】
図２４Ａは、ＤＮＡの変性剤濃度勾配ゲル電気泳動分離（DGGE）用マイクロ流体デバイスを示す図である。図２４Ｂは側面図である。図２３のCDGE用マイクロ流体デバイスと同様の形状をしているが、変性剤濃度勾配を形成するための緩衝液リザーバー１、緩衝液リザーバー２が備えられている。本態様のマイクロ流体デバイスにおいては、試料導入部と検出部にハニカム構造の空隙部が設けられており、電気泳動部に熱交換部材が挿入される貫通孔が設けられている。
【０１１６】
緩衝液リザーバーの片方又は両方にホルムアミドや尿素などの変性剤を含んだ緩衝液を充填する。ホルムアミドと尿素を変性剤として用いた場合、一般的には7M尿素、40%ホルムアミドをを含む変性剤含有緩衝液を100％変性剤濃度と定義する。緩衝液リザーバー１、２のそれぞれに充填する変性剤濃度は０％〜100％の範囲で、変性剤濃度が異なるように充填する。これらの緩衝液リザーバー１，２からそれぞれ緩衝液流路１、２を通って送液を行う。それぞれの流路を流れる変性剤含有溶液の流速を徐々に変化させることで、二つの流路が合流する部分での混合比を変化させ、変性剤濃度勾配を形成し、この変性剤濃度勾配を分離流路へ導入する。後は、CDGE用マイクロ流体デバイスと同様に試料リザーバーの試料を分離流路に導入し、電気泳動部でDGGE分離を行い、検出部で検出する。
【０１１７】
本態様のマイクロ流体デバイスによれば、試料導入部、検出部、電気泳動部の温度をそれぞれ好適な温度に制御することができるため、好適な分析が可能である。
図２５から図２７は、マイクロ流体デバイスにおいて、面内で複数の温度制御する部位をもつ場合に空隙部がある場合とない場合の空隙部の際立った効果を説明するための図である。
【０１１８】
図２５Ａは空隙部がないマイクロ流体デバイスの上面図で、図２５Ｂはその側面図である。温度制御する部位は３箇所あり、お互いに隣接している。
図２６Ａは、図２５のマイクロ流体デバイスをペルチェ素子を用いて、各温度制御部位を局所的に温度制御したときの構成を説明する図である。温度制御は、温度制御モジュールをマイクロ流体デバイス上に載せることでおこなう。温度制御モジュールは、銅板、ペルチェ素子、放熱フィンから構成され、この３つの素子はそれぞれ接着されている。この温度制御モジュールの下面（したがって銅板の下面）とマイクロ流体デバイスとは高熱伝導両面テープ（１Ｗ・ｍ−１Ｋ−１）を貼り付けて密着させる。マイクロ流体デバイスを冷却する場合には、必要に応じて、冷却ファンで放熱フィンを冷却する。この形態では第２の温度制御する部位の面積が広いために、その全域を覆うように大きなペルチェ素子で温度制御をおこなう。すると、この温度領域からマイクロ流体デバイスの全域にわたって熱伝導で熱が拡散するため、この熱によって、第１の温度制御する部位と第３の温度制御する部位が加熱されてしまうことを抑止するため、第１、３の温度制御する部位にも同様に大面積の温度制御モジュールを貼り付けて高精度の温度制御をおこなう。このように、空隙部のないマイクロ流体デバイスでは、本来は微小流路の温度を制御するだけで外界から流入・流出する熱流量は少ないのにもかかわらず、温度制御モジュールは、お互いの温度領域から流入する熱流量による温度変化に対応するために大きな電力で温度制御をおこなうことが必要だった。
【０１１９】
図２７は、マイクロ流体デバイスに空隙部を設けた場合の効果を説明する図である。各温度制御する部位の間に空隙部を設けることで、お互いの領域の間に伝熱で流入する熱流量を大幅に減らすことができる。これにより、各温度制御部位の温度調整に必要な温度制御モジュールの消費電力が少なくなるので図２６よりもずっと小さいペルチェ素子で温度制御が可能になる。しかも、熱の出入りがあるのは空隙部が途切れた箇所だけであるため、その近傍に温度制御モジュールを配置するだけで、全体の温度を均一に制御することができる。このことにより、マイクロ流体デバイスの流路上面および下面にはほとんど何も搭載せずにすむため、流路を観察する際に好適である。たとえば、流路に蛍光物質を混入させて流速の測定やＤＮＡの分離検出をおこなう場合には、マイクロ流体デバイスの下に図示しない倒立型蛍光顕微鏡を置き、下から励起光を照射し、蛍光物質からの散乱光を受光して蛍光物質を観察するが、このときは、図２６のように流路の真上に温度制御モジュールが貼り付けられていると、そのモジュール底面からの散乱光も蛍光物質からの散乱光と同時に顕微鏡に入射するため、蛍光物質からの光と区別できず、ＤＮＡピークの分離や蛍光物質を画像処理することによって流速を求める粒子画像流速測定(PIV: Particle Image Velocimetry)をおこなう際の課題となっていた。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】図１は、マイクロ流体デバイス内の微小流路の近傍に複数の貫通孔を開けた態様を示す模式図である。
【図２Ａ】図２Ａは、図１に示すようなマイクロ流体デバイスにおいて、貫通孔に棒状の熱交換部材を挿入した様子を示す断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図１に示すようなマイクロ流体デバイスにおいて、先細り形状を有する貫通孔に棒状の熱交換部材を挿入した様子を示す断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図１に示すようなマイクロ流体デバイスにおいて、貫通孔に表面が弾性体である棒状の熱交換部材を挿入した様子を示す断面図である。
【図３】図３は、図１に示すようなマイクロ流体デバイスにおいて、貫通孔に流体を導入する場合の一態様を示す模式図である。
【図４】図４は、マイクロ流体デバイス内の微小流路の近傍に貫通孔を流路の両サイドに１つずつが設けた態様を示す模式図である。
【図５】図５は、マイクロ流体デバイス内の微小流路の近傍に貫通孔を流路の両サイドに１つずつが設けた態様を示す模式図である。
【図６】図６においては、図４に示すようなマイクロ流体デバイスにおいて、貫通孔にコの字型の熱交換部材を挿入する場合を示す模式図である。
【図７】図７は、上記のコの字型熱交換部材のマイクロ流体デバイスに接触する面を先細り状にした例を示す模式図である。
【図８】図８は、幅が可変なコの字型熱交換部材を示す図である。
【図９】図９は、本発明の貫通孔の一態様を示す断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の貫通孔の一態様を示す断面図である。
【図１１】図１１は、温度制御する流路の両サイドに凹部を設けたマイクロ流体デバイスを示す概略図である。
【図１２】図１２は、熱伝導防止用の空隙部を設けたマイクロ流体デバイスを示す模式図である。
【図１３】図１３は、熱伝導防止用の空隙部の断面図を示す図である。
【図１４】図１４は、熱伝導防止用の空隙部の断面図を示す図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、熱伝導防止用の空隙部の断面図を示す図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、熱伝導防止用の空隙部の断面図を示す図である。
【図１６】図１６は、熱伝導防止用の空隙部の断面図を示す図である。
【図１７】図１７は、空隙部を格子状に設けた態様を示す図である。
【図１８】図１８は、複数のマイクロ流体デバイスを積層し、積層したマイクロ流体デバイスの貫通孔に棒状の熱交換部材を突き刺して、複数のマイクロ流体デバイスを一括して温度制御する態様を示す模式図である。
【図１９Ａ】図１９Ａは、１つのマイクロ流体デバイスの２つの領域を温度制御する場合であって、複数のマイクロ流体デバイスを一括して温度制御する態様を示すものである。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、１つのマイクロ流体デバイスの２つの領域を温度制御する場合であって、複数のマイクロ流体デバイスを一括して温度制御する態様を示すものである。
【図２０】図２０は、本発明の温度制御システムの装置構成の１態様を示す模式図である。
【図２１】図２１は、本発明の温度制御システムの装置構成の１態様を示す模式図である。
【図２２】図２２は、コの字型の熱交換部材を有する温度制御機構を示す図である。
【図２３Ａ】図２３Ａは、本発明の温度制御技術を利用してゲル電気泳動（CDGE）を行う場合のマイクロ流体デバイスの一態様を示す図である。
【図２３Ｂ】図２３Ｂは、本発明の温度制御技術を利用してゲル電気泳動（CDGE）を行う場合のマイクロ流体デバイスの一態様を示す側面図である。
【図２４Ａ】図２４Ａは、ＤＮＡの変性剤濃度勾配ゲル電気泳動分離（DGGE）用マイクロ流体デバイスを示す図である。
【図２４Ｂ】図２４Ｂは、ＤＮＡの変性剤濃度勾配ゲル電気泳動分離（DGGE）用マイクロ流体デバイスを示す側面図である。
【図２５Ａ】図２５Ａは、空隙部を有しないマイクロ流体デバイスの上面図である。
【図２５Ｂ】図２５Ｂは、空隙部を有しないマイクロ流体デバイスの側面図である。
【図２６Ａ】図２６Ａは、図２５のマイクロ流体デバイスをペルチェ素子を用いて局所的に温度制御する際の構成を示す上面図である。
【図２６Ｂ】図２６Ｂは、図２５のマイクロ流体デバイスをペルチェ素子を用いて局所的に温度制御する際の構成を示す側面図である。
【図２７Ａ】図２７Ａは、空隙部を有するマイクロ流体デバイスをペルチェ素子を用いて局所的に温度制御する際の構成を示す上面図である。
【図２７Ｂ】図２７Ｂは、空隙部を有するマイクロ流体デバイスをペルチェ素子を用いて局所的に温度制御する際の構成を示す側面図である。
【符号の説明】
【０１２１】
１：開口部、２：温度制御する部位、３：流路、４：熱交換部材
１１：開口部、１２：温度制御する部位、１３：流路、１４：コの字型部材、１５：ペルチェ素子、１６：平板状部材
２１：開口部、２３：流路、２４：熱交換部材
３１：開口部、３２ａ：第１の温度制御する部位、３２ｂ：第２の温度制御する部位、３２ｃ：第３の温度制御する部位、３３：流路、３７：空隙部
４１：開口部、４２ａ：第１の温度制御する部位、４２ｂ：第２の温度制御する部位、４３：流路、４４ａ：第１の熱交換部材、４４ｂ：第２の熱交換部材
５１：マイクロ流体デバイス載置台、５２：温度制御機構、５３：移動機構
１０１：緩衝液リザーバー、１０１ａ：第１の緩衝液リザーバー、１０１ｂ：第２の緩衝液リザーバー、１０２：試料リザーバー、１０３：試料廃液リザーバー、１０４：廃液リザーバー、１０５：緩衝液流路、１０５ａ：第１の緩衝液リザーバー、１０５ｂ：第２の緩衝液リザーバー、１０６：試料導入用流路、１０７：分離用流路、１０８：試料導入部、１０９：電気泳動部、１１０：検出部
１１２ａ：第１の温度制御する部位、１１２ｂ：第２の温度制御する部位、１１２ｃ：第３の温度制御する部位、１１３：ペルチェ素子、１１４：銅板、１１５：放熱フィン、１１６：温度制御モジュール、１１７：温度制御モジュール、１１８：空隙部
【図１】
2008157932.tif 000009
【図２Ａ】
2008157932.tif 000010
【図２Ｂ】
2008157932.tif 000011
【図２Ｃ】
2008157932.tif 000012
【図３】
2008157932.tif 000013
【図４】
2008157932.tif 000014
【図５】
2008157932.tif 000015
【図６】
2008157932.tif 000016
【図７】
2008157932.tif 000017
【図８】
2008157932.tif 000018
【図９】
2008157932.tif 000019
【図１０】
2008157932.tif 000020
【図１１】
2008157932.tif 000021
【図１２】
2008157932.tif 000022
【図１３】
2008157932.tif 000023
【図１４】
2008157932.tif 000024
【図１５Ａ】
2008157932.tif 000025
【図１５Ｂ】
2008157932.tif 000026
【図１６】
2008157932.tif 000027
【図１７】
2008157932.tif 000028
【図１８】
2008157932.tif 000029
【図１９Ａ】
2008157932.tif 000030
【図１９Ｂ】
2008157932.tif 000031
【図２０】
2008157932.tif 000032
【図２１】
2008157932.tif 000033
【図２２】
2008157932.tif 000034
【図２３Ａ】
2008157932.tif 000035
【図２３Ｂ】
2008157932.tif 000036
【図２４Ａ】
2008157932.tif 000037
【図２４Ｂ】
2008157932.tif 000038
【図２５Ａ】
2008157932.tif 000039
【図２５Ｂ】
2008157932.tif 000040
【図２６Ａ】
2008157932.tif 000041
【図２６Ｂ】
2008157932.tif 000042
【図２７Ａ】
2008157932.tif 000043
【図２７Ｂ】
2008157932.tif 000044