(57)【要約】【課題】マイクロバルブと反応室との間のデッドボリュームを少なくする。【解決手段】反応室２２は基体２０を貫通する空洞として形成され、その上部には基体２０の表面部分の一部がエッチングされずに残された残存部分３２が設けられている。その残存部分３２には試料導入流路２８からの試料の導入を制御するマイクロバルブ３４が形成されており、反応室２２への流体供給口３６が残存部分３２に垂直方向の穴として形成されている。反応室２２に試料を導入するときは、マイクロバルブ３４でダイヤフラム３４ａ上の空気室に空気圧を印加しない状態で試料導入流路２８から供給される試料を流体供給口３６から反応室２２へ導入する。反応室２２への試料導入後は、ダイヤフラム３４ａにより流体供給口３６を閉じる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体内部に形成された空洞、及びその空洞に対する流体の入口と出口を備えた反応室と、前記反応室に供給される流体試料供給流路に配置され、流体の流入を制御するマイクロバルブとを備え、
前記マイクロバルブは、その流体供給口が前記入口と一体化して前記反応室に面するように、前記反応室と一体的に形成されているマイクロ反応装置。
【請求項２】
マイクロバルブの前記流体供給口は反応室の前記空洞の上面又は下面に位置している請求項１に記載のマイクロ反応装置。
【請求項３】
前記反応室は前記空洞の少なくとも一部が上面と下面に開口をもつ貫通穴として形成されており、それらの開口は光透過性の部材で閉じられ、外部から透過光による光学検出が可能になっている請求項１又は２に記載のマイクロ反応装置。
【請求項４】
前記反応室は前記空洞の一方の面の一部が開口をもってその開口が前記基体とは別の部材で閉じられており、前記空洞のその開口部以外の部分に前記入口と一体化したマイクロバルブ流体供給口が形成されており、
前記マイクロバルブは前記流体供給口を開閉するダイヤフラムを備えたものである請求項１から３のいずれかに記載のマイクロ反応装置。
【請求項５】
前記マイクロバルブは、他のダイヤフラムにより開閉される流体排出口をさらに備え、前記流体試料供給流路を前記流体供給口と前記流体排出口に任意に接続できるものである請求項４に記載のマイクロ反応装置。
【請求項６】
前記反応室は前記空洞の一方の面の一部が開口をもってその開口が前記基体とは別の部材で閉じられており、前記空洞のその面の開口部以外の部分は前記基体が厚さ方向に一部残存したものであり、前記入口と一体化したマイクロバルブ流体供給口はその残存部分に垂直方向に形成された貫通穴である請求項１から５のいずれかに記載のマイクロ反応装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，例えばμＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍ）のような分野において、チップ上で微量な試料液の流れを制御して化学分析、化学反応又は細胞培養などを行なうためのマイクロ反応装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
μＴＡＳ分野のような微小な空間で流体試料の量を制御して試料同士を反応させる方法として、マイクロバルブを集積化したマイクロ反応デバイスが報告されている（非特許文献１参照。）。
【０００３】
図６（Ａ）にマイクロバルブを集積化したマイクロ反応デバイスの概念図を示す。
シリコン基板などの基板２の表面に微細加工技術により反応室４とそれにつながる流路１０が形成され、反応室４などが形成されたその表面に接合されたシリコーン樹脂の一種であるＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）などの他の基板１４により、流路１０につながる試料注入口６−１，６−２及び試料排出口８が形成されている。また、反応室４への試料の注入を制御するために、基板２と基板１４により試料注入口６−１，６−２から反応室４に至る流路１０にはマイクロバルブ１２−１，１２−２が形成されている。マイクロバルブ１２−１，１２−２は例えばダイヤフラムを備えて空気圧により流路の開閉動作が駆動されるものである。
【０００４】
この例では試料注入口が２つで、２種類の反応液を注入できるようになっているが、細胞培養など、目的によっては試料注入口は１つでよい。
この反応装置では、試料注入口６−１、６−２から反応させる試料をそれぞれ導入し、マイクロバルブ１２−１，１２−２を用いてそれぞれの試料の導入量を制御する。マイクロバルブ１２−１，１２−２で制御された試料は反応室４に導入されて反応する。反応による化学変化は反応室６で測定したり、試料排出口８から反応物を採取して反応装置の外部で分析を行なったりする。
【０００５】
【非特許文献１】
Ａ．Ｒ．Ｗｈｅｅｌｅｒ，ｅｔ．ａｌ．  Ｔｈｅ  ６ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  （μＴＡＳ’０２），２００２，ＰＰ．８０２−８０４
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来報告されてきた反応装置では、図６（Ａ）の平面図である図６（Ｂ）からもわかるように、マイクロバルブ１２−１，１２−２と反応室４の間に距離があって空間１０ａ，１０ｂとなっている。そして、この空間１０ａ，１０ｂが試料のデッドボリュームとなっていた。
【０００７】
試料注入口６−１，６−２から導入された試料が、それぞれマイクロバルブ１２−１，１２−２で導入量を制御され、反応室４に導かれて反応するとき、マイクロバルブ１２−１，１２−２と反応室４の間のデッドボリューム１０ａ，１０ｂに未反応の試料が残留する。この残留した試料は、反応室４に徐々に拡散していくため、反応室４内の反応は刻時変化していくこととなる。
【０００８】
微少量の試料同士を反応させるためには、微小な反応室が必要となる。反応室を小さくしていった場合、反応室４の体積に対して、マイクロバルブ１２−１，１２−２と反応室４との間のデッドボリューム１０ａ，１０ｂの体積が無視できなくなってくる。このようなデッドボリューム１０ａ，１０ｂが存在すると、マイクロバルブ１２−１，１２−２を閉じた後でもデッドボリューム１０ａ，１０ｂからの試料が反応室４内に拡散していき、定量的な反応を損なうことになる。このような問題は反応室４につながる試料供給用の流路１０の数に関係なく存在する。
【０００９】
そこで、本発明はマイクロバルブと反応室との間のデッドボリュームに起因する問題を解決することのできる構造をもった反応装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のマイクロ反応装置は、基体内部に形成された空洞、及びその空洞に対する流体の入口と出口を備えた反応室と、前記反応室に供給される流体試料供給流路に配置され、流体の流入を制御するマイクロバルブとを備え、前記マイクロバルブは、その流体供給口が前記入口と一体化して前記反応室に面するように、前記反応室と一体的に形成されているものである。
【００１１】
このように、マイクロバルブの流体供給口が反応室の入口と一体化していることにより、マイクロバルブと反応室との間のデッドボリュームが少なくなり、反応室内の反応を正確に制御することができるようになる。
【００１２】
マイクロバルブの流体供給口は反応室の空洞の上面又は下面に位置していることが好ましい。その場合、マイクロパルプの流体供給口が反応室の直上又は真下に配置されて垂直方向を向くことになり、マイクロバルブと反応室との間のデッドボリュームがより少なくなるとともに、仮にデッドボリュームが存在したとしても落下又は拡散によって、そこに未反応の試料が残存することがなくなり、反応室内の反応をより正確に制御することができるようになる。
【００１３】
好ましい形態として、反応室は空洞の少なくとも一部が上面と下面に開口をもつ貫通穴として形成されており、それらの開口は光透過性の部材で閉じられ、外部から透過光による光学検出が可能になっているものを挙げることができる。
【００１４】
また、反応室は空洞の一方の面の一部が開口をもってその開口が基体とは別の部材で閉じられており、空洞のその開口部以外の部分に入口と一体化したマイクロバルブ流体供給口が形成されており、マイクロバルブは流体供給口を開閉するダイヤフラムを備えたものとすることができる。
【００１５】
マイクロバルブは、他のダイヤフラムにより開閉される流体排出口をさらに備え、流体試料供給流路を流体供給口と流体排出口に任意に接続できるものとすることができる。
反応室は空洞の一方の面の一部が開口をもってその開口が基体とは別の部材で閉じられており、空洞のその面の開口部以外の部分は基体が厚さ方向に一部残存したものであり、入口と一体化したマイクロバルブ流体供給口はその残存部分に垂直方向に形成された貫通穴とすることができる。
【００１６】
この反応装置は、シリコン基板などの基体をドライエッチングすることにより形成することができる。その際、ドライエッチングにより反応室を形成するとともに、その反応室の上部に基板を厚さ方向に一部残存させて薄膜部を形成し、その薄膜部にマイクロパルプを形成することで、同一基板上で反応容器上部にマイクロバルブを形成することができる。同一基板上に加工を施すことによって、加工後の位置合わせ接合が不要となるため、マイクロバルブと反応室との正確な位置決めが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１は試料導入用の流路が１つの第１の実施例を示したものであり、（Ａ）は概略斜視図、（Ｂ）はそのＡ−Ａ線位置での断面図である。
【００１８】
基体２０は例えばシリコン基板であり、エッチングにより反応室２２、試料を反応室２２に導く試料導入流路２８、及び反応室２２からの反応液を排出口に導く排出用流路３０が形成されている。
基体２０としてはシリコン基板以外に、合成石英ガラス基板、パイレックス（登録商標）ガラス基板、その他のガラス基板などを用いることもできる。
【００１９】
反応室２２は基体２０を貫通する空洞として形成され、その上部には基体２０の表面部分の一部がエッチングされずに残された残存部分３２が設けられている。その残存部分３２には試料導入流路２８からの試料の導入を制御するマイクロバルブ３４が形成されている。マイクロバルブ３４では反応室２２への流体供給口３６が残存部分３２に垂直方向の穴として形成されている。その穴３６がマイクロバルブ３４の流体供給口と反応室２２の入口を兼ねている。
マイクロバルブ３４はその穴３６を開閉するダイヤフラム３４ａを備えている。
【００２０】
マイクロバルブ３４でダイヤフラム３４ａ上に空気室を形成するとともに、基体２０の上面で試料導入口２４と試料排出口２６に開口を設け、ダイヤフラム３４ａ上の空気室にマイクロバルブ駆動用の空気を供給するための流路を形成し、その空気供給用の流路につながる空気供給口３８を設けるために、基体２０の上面に上部基板４０が接合されている。上部基板４０は例えばＰＤＭＳによる樹脂成型品であり、ダイヤフラム３４ａはその上部基板４０と同じ材質のＰＤＭＳからなる薄膜である。
【００２１】
ダイヤフラム３４ａとなる薄膜としては、ＰＤＭＳのほか、シリコーン樹脂膜、フッ素アモルファス樹脂（例えば、ＣＹＴＯＰ：旭硝子株式会社製）などを用いることができ、その厚さは数十μｍ〜数百μｍが適当である。
【００２２】
基体２０の裏面側は透明ガラス基板２１、例えばパイレックスガラス（登録商標）が接合され、裏面側から反応室２２内を光学的に観測できるようになっている。ガラス基板２１の厚さは特に限定はされないが、顕微鏡観察を行なうことを目的とする場合には、顕微鏡観察に適した厚さ、例えば０．１５ｍｍ程度のものを使用するのが好ましい。
【００２３】
この実施例において、反応室２２に試料を導入するときは、マイクロバルブ３４でダイヤフラム３４ａ上の空気室に空気圧を印加しない状態で試料導入流路２８から供給される試料を流体供給口３６から反応室２２へ導入する。反応室２２への試料導入後は、ダイヤフラム３４ａにより流体供給口３６を閉じる。流体供給口３６は基板残存部分３２に垂直方向に開けられた穴であるので、マイクロバルブ３４と反応室２２との間に未反応の試料が残留することがない。
【００２４】
試料は反応室２２内で反応したり、細胞培養などが行なわれる。反応室２２の裏面は透明ガラス板２１であるので、反応室２２内の様子はその透明ガラス板２１を通して顕微鏡などにより光学的に観察することができる。
反応や培養を終了した後の反応液は、試料排出口２６から取り出すことができる。
【００２５】
図２は第２の実施例を表わす。図２の実施例では、マイクロバルブ４１は反応室２２の上部の基体残存部分３２に反応室入口を兼ねる流体供給口３６を備えている点は図１の実施例を同じであるが、反応室上から離れた位置に流体排出口４２を備えている点が異なる。４４はその流体排出口４２につながる排出口である。
【００２６】
マイクロバルブ４１のダイヤフラムとしては、流体供給口３６を開閉するダイヤフラム４１ａと、排出口４２を開閉するダイヤフラム４１ｂを備え、それぞれが独立して開閉できるように設けられている。それぞれのダイヤフラム４１ａ，４１ｂに駆動用空気を供給するために供給口３８ａ，３８ｂがそれぞれ設けられ、それぞれの空気供給口３８ａ，３８ｂから流路を経てダイヤフラム４１ａ，４１ｂ上の空気室に駆動用空気が独立して供給されるようになっている。
【００２７】
反応室２２は試料排出口２６へつながる出口に細胞などの流出を防ぐ微細な柱状ピラー２３を備えている。また、この実施例では、試料供給流路２８はその供給口が基体２０の裏面側に形成されている。
【００２８】
図３に図２の実施例の反応装置の動作を示す。
（Ａ）は試料を反応室２２に供給するときのマイクロバルブ４１ａ，４１ｂの動作であり、試料供給側のダイヤフラム４１ａには空気圧は加えられず、ダイヤフラム４１ｂに空気圧が加えられる。これにより供給口３６が開けられ、排出口４２が閉じられる。試料供給流路２８から矢印のように供給された試料は供給口３６から反応室２２内に供給される。
【００２９】
（Ｂ）は試料交換のときなど、試料供給流路２８に残留している試料を新しい試料と置換するためのパージモードを示したものである。このときダイヤフラム４１ａ，４１ｂは、（Ａ）とは逆にダイヤフラム４１ａ上の空気室に空気圧が与えられて供給口３６が閉じられ、ダイヤフラム４１ｂ上の空気室には空気圧が与えられずに排出口４２が開いた状態となる。新しい試料を供給すると、流路２８に残留していた試料は排出口４２から排出され、流路２８は新しい試料で置換される。
【００３０】
図４は図２の実施例における基体２０の画像である。（ａ）は反応室２２部分の斜視図であり、基板２０に反応室２２が貫通した穴として開けられ、その上部開口に残存した基板部分に供給口３６が開けられているのがわかる。（ｂ）はその基板を裏面側から見た画像であり、反応室の穴とともに試料供給用や排出の流路がそれぞれ溝として形成されているのがわかる。（ｃ）は反応室からマイクロバルブに沿って切断した状態の断面図を示したものである。
【００３１】
図１、図２の実施例は反応室に対する試料供給流路が１つの場合であるが、用途に応じて２つ又はそれ以上とすることもできる。その場合、それぞれの試料供給流路に反応室に面する試料供給口をもつマイクロバルブを配置すればよい。
【００３２】
次に、図５により実施例の製造方法を説明する。ただし、この実施例は図１の実施例とも図２の実施例とも厳密には一致しない。反応室や流路は、シリコン基板にフォトリソグラフイーとデイープＲＩＥ（反応性イオンエッチング）により形成する。
【００３３】
（Ａ）厚さが３００μｍのシリコン基板２０にドライエッチング時のマスクとなるシリコン酸化膜５０を熱酸化により１μｍの厚さに形成する。
（Ｂ）両面アライナーを用いたフォトリソグラフイーによりレジストパターンを形成し、そのレジストパターンをマスクとしてフッ酸を用いた酸化膜エッチングにより、酸化膜５０をパターニングする。このとき、基板２０の上面ではマイクロバルブと反応室の上部開口形状を決定する酸化膜パターン５０ａを形成し、基板２０の下面では試料導入流路の形状が決定されるように酸化膜パターン５０ｂを形成する。
【００３４】
（Ｃ）シリコン基板上面にフォトリソグラフイーにより、反応室の上部開口と、マイクロバルブにおける試料供給口３６と試料供給流路２８につながる口の形状を決定するフォトレジストパターン５２を形成する。
次に、このときフォトレジストパターンをマスクとして、シリコン基板２０をＩＣＰ（誘導結合プラズマ）−ＲＩＥを用いてドライエッチングにより５０μｍ程度の深さにエッチングする。
【００３５】
（Ｄ）フォトレジスト除去後、工程（Ｂ）でバターニングした酸化膜パターン５０ａをマスクにしてＣＣＰ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  Ｐｌａｓｍａ）−ＲＩＥを用いて２０μｍ程度の深さにドライエッチングを行ない、マイクロバルブ形状を形成する。
【００３６】
（Ｅ）次に、シリコン基板２０の下面にフォトリソグラフイーにより、反応室の下面からの貫通穴の形状と試料導入流路の基板厚さ方向の形状を決定するフォトレジストバターン５４を形成する。
次にこのフォトレジストバターン５４をマスクとしてシリコン基板２０をＩＣＰ−ＲＩＥを用いてドライエッチングする。
【００３７】
（Ｆ）フォトレジスト除去後、酸化膜パターン５０ａ，５０ｂをマスクとしてＩＣＰ−ＲＩＥを用いてドライエッチングを行なう。このエッチングで、反応室上部の一部３２を除いた部分が貫通し、マイクロバルブ３４が反応室２２の上部にせり出した形状が実現される。また同時にこ試料導入用の流路２８が形成される。
（Ｇ）このように形成されたシリコン基板２２の下面にパイレックスガラス（登録商標）板２２を陽極接合する。
【００３８】
（Ｈ）シリコン基板２２の上面にマイクロバルブのダイアフラム３４ａとなるＰＤＭＳ薄膜を接合する。ＰＤＭＳ薄膜の接合は、例えば次のように行なう。まず、ＰＤＭＳ（Ｓｙｌｇａｒｄ  １８４：Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ社（米）の製品）をポリエステル膜やＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）膜などの樹脂膜上にスピンコート法により３０μｍ程度の厚さに形成する。そのＰＤＭＳ薄膜を６０℃で３０分間加熱処理する。ＰＤＭＳはこの加熱処理では完全には硬化しない。次にそのＰＤＭＳ薄膜をシリコン基板２２の上面に貼りつけ、１０５℃で１時間加熱処理してＰＤＭＳを完全に硬化させることによりＰＤＭＳ薄膜をシリコン基板２２の上面に接合する。その後、ＰＤＭＳ薄膜を形成していた樹脂膜を剥離する。
【００３９】
次に、ＰＤＭＳ膜３４ａ上に、ダイヤフラム３４ａ上の空気室、その空気室にマイクロバルブ駆動用の空気を供給するための流路、その空気供給用流路につながる空気供給口、試料導入口及び試料排出口が形成されたＰＤＭＳによる樹脂成型品４０を貼り合せる。
これにより、反応装置が完成する。
【００４０】
【発明の効果】
本発明のマイクロ反応装置は、基体内部に形成された反応室に試料を供給する流体試料供給流路に流体の流入を制御するマイクロバルブを備えるとともに、そのマイクロバルブは、その流体供給口が反応室の入口と一体化して反応室に面するように、反応室と一体的に形成されているので、マイクロバルブと反応室との間のデッドボリュームが少なくなり、反応室内の反応を正確に制御することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施例を表わし、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線位置での断面図である。
【図２】他の実施例を表わし、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線位置での断面図である。
【図３】図２の実施例の動作を示す断面図である。
【図４】図２の実施例における基体の画像であり、（ａ）は反応室部分の斜視図、（ｂ）は基板を裏面側から見た斜視図、（ｃ）は反応室からマイクロバルブに沿って切断した状態の断面図を示したものである。
【図５】１つの実施例の反応装置を製造する方法を示す工程断面図である。
【図６】従来のマイクロ反応装置を示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図である。
【符号の説明】
２０      基体
２２      反応室
２８      試料導入流路
３０      排出用流路
３２      残存部分
３４，４１      マイクロバルブ
３６      流体供給口
３４ａ，４１ａ，４１ｂ    ダイヤフラム
４０      上部基板
２１      透明ガラス基板
４２      流体排出口
３８，３８ａ，３８ｂ      マイクロバルブ駆動用空気供給口
【図１】
2004361205.tif 000003
【図２】
2004361205.tif 000004
【図３】
2004361205.tif 000005
【図４】
2004361205.tif 000006
【図５】
2004361205.tif 000007
【図６】
2004361205.tif 000008