(57)【要約】【課題】  内蔵引力駆動マイクロポンプを具えたマイクロ流体チップの提供。【解決手段】  マイクロ流体チップは内蔵引力駆動マイクロポンプを具え、該マイクロポンプは、曲がりくねったチャネル、該曲がりくねったチャネルに置かれた不活性流体材料、該曲がりくねったチャネルに接続された吸入チャネルをマイクロ流体チップに接続する吸入チャネルを具え、該曲がりくねったチャネルに不活性流体材料が導入される。固定量の高比重不活性材料が曲がりくねったチャネルに置かれてバイオチップ中でマイクロポンプとして作動する。マイクロ流体チップが傾斜或いは直立ポジションで配置される時、不活性流体材料が引力により曲がりくねったチャネルを流れ落ちる。本発明は簡単、便利で強固なマイクロ流体圧送源を提供する。内蔵マイクロポンプにより、マイクロ流体チップは無公害で、バイオチップと周辺装置を結ぶパイプのコストを節約できる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
個々に保存された少なくとも一種類の反応物質を具えたマイクロ流体チップに採用されて該マイクロ流体チップ内で該反応物質に駆動力を提供する引力駆動マイクロポンプにおいて、該引力駆動マイクロポンプは、
チャネルと、
該チャネル内に置かれた不活性流体材料と、
該チャネルをマイクロ流体チップに接続する吸入チャネルと、
を具え、該不活性流体材料が先ず該チャネル内に置かれ、該チャネルが直立或いは傾斜ポジションで配置された時に該チャネルを流れ落ちることを特徴とする、引力駆動マイクロポンプ。
【請求項２】
請求項１記載の引力駆動マイクロポンプにおいて、チャネルが曲がりくねったチャネルとされたことを特徴とする、引力駆動マイクロポンプ。
【請求項３】
請求項１記載の引力駆動マイクロポンプにおいて、不活性流体材料が高比重材料とされたことを特徴とする、引力駆動マイクロポンプ。
【請求項４】
請求項１記載の引力駆動マイクロポンプにおいて、不活性流体材料が先ずチャネルの上部に置かれることを特徴とする、引力駆動マイクロポンプ。
【請求項５】
請求項２記載の引力駆動マイクロポンプにおいて、曲がりくねったチャネルが複数の曲折点を具えたことを特徴とする、引力駆動マイクロポンプ。
【請求項６】
請求項３記載の引力駆動マイクロポンプにおいて、不活性流体材料がフィコール（Ｆｉｃｏｌｌ）とされたことを特徴とする、引力駆動マイクロポンプ。
【請求項７】
請求項３記載の引力駆動マイクロポンプにおいて、不活性流体材料がペルフルオロ化学品とされたことを特徴とする、引力駆動マイクロポンプ。
【請求項８】
マイクロ流体チップにおいて、該マイクロ流体チップは、
少なくとも一つの反応物質チャンバと、
該反応物質チャンバに接続された少なくとも一つの空気導入チャネルと、
該反応物質チャンバに接続された反応チャンバと、
該反応チャンバに接続された廃棄流体チャンバと、
該廃棄流体チャンバに接続された吸入チャネルと、
該吸入チャネルに接続されたチャネルと、
該チャネル内に置かれた不活性流体材料と、
を具え、先ず空気導入チャネルがシールされ、該不活性流体材料が該チャネルに置かれて該チャネルが直立或いは傾斜ポジションで配置された時に該チャネルを流れ落ちることを特徴とする、マイクロ流体チップ。
【請求項９】
請求項８記載のマイクロ流体チップにおいて、不活性流体材料が高比重材料とされたことを特徴とする、マイクロ流体チップ。
【請求項１０】
請求項９記載のマイクロ流体チップにおいて、不活性流体材料がフィコール（Ｆｉｃｏｌｌ）とされたことを特徴とする、マイクロ流体チップ。
【請求項１１】
請求項９記載のマイクロ流体チップにおいて、不活性流体材料がペルフルオロ化学品とされたことを特徴とする、マイクロ流体チップ。
【請求項１２】
請求項８記載のマイクロ流体チップにおいて、不活性流体材料の量が調整可能とされたことを特徴とする、マイクロ流体チップ。
【請求項１３】
請求項８記載のマイクロ流体チップにおいて、各反応物質チャンバに異なる反応物質が収容されることを特徴とする、マイクロ流体チップ。
【請求項１４】
請求項８記載のマイクロ流体チップにおいて、空気導入チャネルのシールが外されマイクロ流体チップが直立或いは傾斜ポジションで配置されることで作動することを特徴とする、マイクロ流体チップ。
【請求項１５】
請求項８記載のマイクロ流体チップにおいて、不活性流体材料が先ずチャネルの上部に置かれることを特徴とする、マイクロ流体チップ。
【請求項１６】
請求項１４記載のマイクロ流体チップにおいて、傾斜ポジションが調整可能であることを特徴とする、マイクロ流体チップ。
【請求項１７】
請求項８記載のマイクロ流体チップにおいて、不活性流体材料がチャネルを流れ落ちて吸引力を形成してマイクロポンプとして作動して反応物質を各反応物質チャンバより反応チャンバに導入して反応させることを特徴とする、マイクロ流体チップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロポンプに係り、更に詳しくは、引力により駆動される高比重不活性材料流を使用したマイクロポンプに関する。それはバイオＭＥＭＳ（Ｂｉｏ−Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｓｙｓｔｅｍｓ）に適用されうる。
【背景技術】
【０００２】
マイクロポンプは広くバイオＭＥＭＳ技術、例えばマイクロ流体センサ、マイクロ流体分析チップ、或いはマイクロ流体セルラーチップに使用されている。マイクロ流体分析チップを例に上げると、マイクロポンプはサンプル前処理、混合、伝送、分離、及び検出に使用されうる。マイクロポンプの製造方法には多くの種類がある。これらの方法は一般に、バブルポンプ、膜ポンプ（圧縮空気駆動、熱圧力駆動、圧電駆動、静電駆動、デュアルメタル駆動、形状記憶合金（ＳＭＡ）駆動、及び電磁駆動）、拡散ポンプ、回転ポンプ、電気流体ポンプ、及び電気浸透ポンプに分類される。
【０００３】
１９８８年に、Ｖａｎ・Ｌｉｎｔｅｌ氏等は圧電材料駆動膜を使用してマイクロポンプを製造した。Ｈａｌｌｅｒ氏等による特許文献１には、図１に示されるようなマイクロポンプが記載され、それによると、流体は縦の増幅波（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｗａｖｅ）とマイクロチャネル内の流体の相互作用により圧送される。マイクロポンプは高周波入力を検出し縦方向の増幅波をチャネル１０６に伝送する増幅変換器１０５を具えている。チャネル中の流体はチャネル内の増幅内の伝送方向に沿って流れる。Ｃｈｕａｎｇ氏等による特許文献２には、ヒドロゲル駆動マイクロポンプが記載され、それは高電圧下で電気泳動を使用して帯電イオンを駆動して移動させる。２０００年には、Ｗａｌｌａｃｅ氏が電気浸透ポンプを使用して外部駆動電圧と流体電荷の分配により流体流を駆動する技術を発表した。また特許文献３には相互に接続された高さの異なる二つの流体容器４０１と４０２を利用して一定流速を具えたマイクロ流体引力ポンプが記載されている。
【０００４】
周知の技術のマイクロポンプには多くの種類がある。本発明のマイクロポンプは、マイクロチャネル内のマイクロ流体に対する駆動力を提供してそれを特定方向に流動させる。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，０１０，３１６号明細書
【特許文献２】米国特許第０，１９６，９００号明細書
【特許文献３】ＷＯ  ０３／００８１０２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は実用的なマイクロポンプを提供するためになされた。本発明の主要な目的は、マイクロ流体チップ中に採用される引力駆動マイクロポンプを提供することにある。引力駆動マイクロポンプはチャネル、チャネル内に配置された不活性流体材料、及びマイクロ流体チップへのチャネルに接続された吸入チャネルを具えている。
【０００７】
本発明によると、チャネルが曲がりくねったチャネルとされる時にいくつかの長所が達成される。これらの長所は即ち、（１）ポテンシャルの釈放が漸進的であること、（２）流路の長さを延長できること、（３）曲折点をバッファとして使用して不活性流体材料の流速を制御できること、である。本発明に使用される不活性流体材料は高比重材料、例えばフィコール（Ｆｉｃｏｌｌ）、ペルフルオロ（ＰｅｒＦｌｕｏｒｏ）化学品（Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ）である。
【０００８】
本発明の別の目的は、駆動力源として大量の反応物質を使用しない引力駆動マイクロポンプを提供することにある。これは反応物質のバイオ反応後に、比重及び又は粘度の種類により引力駆動効果が干渉を受けるのを防止する。
【０００９】
本発明の更に別の目的は、上述の引力駆動マイクロポンプを具えたマイクロ流体チップを提供することにある。該マイクロ流体チップは少なくとも一つの反応物質チャンバ、該反応物質チャンバに接続された少なくとも一つの空気導入チャネル、反応物質チャンバに接続された反応チャンバ、反応チャンバに接続された廃棄流体チャンバ、廃棄流体チャンバに接続された引力駆動マイクロポンプを具えている。
【００１０】
本発明によると、マイクロ流体チップが傾斜或いは直立ポジションで配置される時、不活性流体材料は引力によりチャネルに沿って流れる。引力により駆動された不活性流体材料流により釈放されたポテンシャルは、チップ内の反応物質をマイクロ流体チップの反応チャンバ内に伝送する駆動力を提供する。本発明はマイクロ流体チップ内に固定量の高比重の不活性流体材料を配置する。
【００１１】
概説すると、本発明は内蔵引力駆動マイクロポンプを具えたマイクロ流体チップを提供するものである。マイクロポンプは不活性流体材料を導入するためのチャネルを具えている。チップには固定量の高比重の不活性流体材料が配置される。こうして、本発明は簡単で、便利で、強固なマイクロ流体送出源を提供する。内蔵マイクロポンプを具えているため、本発明は無公害でマイクロ流体チップと周辺装置を接続するためのパイプの製造コストを節約できる。
【００１２】
本発明の他の目的、形態、及び長所は以下の具体的実施例において説明される。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１の発明は、個々に保存された少なくとも一種類の反応物質を具えたマイクロ流体チップに採用されて該マイクロ流体チップ内で該反応物質に駆動力を提供する引力駆動マイクロポンプにおいて、該引力駆動マイクロポンプは、
チャネルと、
該チャネル内に置かれた不活性流体材料と、
該チャネルをマイクロ流体チップに接続する吸入チャネルと、
を具え、該不活性流体材料が先ず該チャネル内に置かれ、該チャネルが直立或いは傾斜ポジションで配置された時に該チャネルを流れ落ちることを特徴とする、引力駆動マイクロポンプとしている。
請求項２の発明は、請求項１記載の引力駆動マイクロポンプにおいて、チャネルが曲がりくねったチャネルとされたことを特徴とする、引力駆動マイクロポンプとしている。
請求項３の発明は、請求項１記載の引力駆動マイクロポンプにおいて、不活性流体材料が高比重材料とされたことを特徴とする、引力駆動マイクロポンプとしている。
請求項４の発明は、請求項１記載の引力駆動マイクロポンプにおいて、不活性流体材料が先ずチャネルの上部に置かれることを特徴とする、引力駆動マイクロポンプとしている。
請求項５の発明は、請求項２記載の引力駆動マイクロポンプにおいて、曲がりくねったチャネルが複数の曲折点を具えたことを特徴とする、引力駆動マイクロポンプとしている。
請求項６の発明は、請求項３記載の引力駆動マイクロポンプにおいて、不活性流体材料がフィコール（Ｆｉｃｏｌｌ）とされたことを特徴とする、引力駆動マイクロポンプとしている。
請求項７の発明は、請求項３記載の引力駆動マイクロポンプにおいて、不活性流体材料がペルフルオロ化学品とされたことを特徴とする、引力駆動マイクロポンプとしている。
請求項８の発明は、マイクロ流体チップにおいて、該マイクロ流体チップは、
少なくとも一つの反応物質チャンバと、
該反応物質チャンバに接続された少なくとも一つの空気導入チャネルと、
該反応物質チャンバに接続された反応チャンバと、
該反応チャンバに接続された廃棄流体チャンバと、
該廃棄流体チャンバに接続された吸入チャネルと、
該吸入チャネルに接続されたチャネルと、
該チャネル内に置かれた不活性流体材料と、
を具え、先ず空気導入チャネルがシールされ、該不活性流体材料が該チャネルに置かれて該チャネルが直立或いは傾斜ポジションで配置された時に該チャネルを流れ落ちることを特徴とする、マイクロ流体チップとしている。
請求項９の発明は、請求項８記載のマイクロ流体チップにおいて、不活性流体材料が高比重材料とされたことを特徴とする、マイクロ流体チップとしている。
請求項１０の発明は、請求項９記載のマイクロ流体チップにおいて、不活性流体材料がフィコール（Ｆｉｃｏｌｌ）とされたことを特徴とする、マイクロ流体チップとしている。
請求項１１の発明は、請求項９記載のマイクロ流体チップにおいて、不活性流体材料がペルフルオロ化学品とされたことを特徴とする、マイクロ流体チップとしている。
請求項１２の発明は、請求項８記載のマイクロ流体チップにおいて、不活性流体材料の量が調整可能とされたことを特徴とする、マイクロ流体チップとしている。
請求項１３の発明は、請求項８記載のマイクロ流体チップにおいて、各反応物質チャンバに異なる反応物質が収容されることを特徴とする、マイクロ流体チップとしている。
請求項１４の発明は、請求項８記載のマイクロ流体チップにおいて、空気導入チャネルのシールが外されマイクロ流体チップが直立或いは傾斜ポジションで配置されることで作動することを特徴とする、マイクロ流体チップとしている。
請求項１５の発明は、請求項８記載のマイクロ流体チップにおいて、不活性流体材料が先ずチャネルの上部に置かれることを特徴とする、マイクロ流体チップとしている。
請求項１６の発明は、請求項１４記載のマイクロ流体チップにおいて、傾斜ポジションが調整可能であることを特徴とする、マイクロ流体チップとしている。
請求項１７の発明は、請求項８記載のマイクロ流体チップにおいて、不活性流体材料がチャネルを流れ落ちて吸引力を形成してマイクロポンプとして作動して反応物質を各反応物質チャンバより反応チャンバに導入して反応させることを特徴とする、マイクロ流体チップとしている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は内蔵引力駆動マイクロポンプを具えたマイクロ流体チップを提供する。マイクロポンプは不活性流体材料を導入するためのチャネルを具えている。チップには固定量の高比重の不活性流体材料が配置される。こうして、本発明は簡単で、便利で、強固なマイクロ流体送出源を提供する。内蔵マイクロポンプを具えているため、本発明は無公害でマイクロ流体チップと周辺装置を接続するためのパイプの製造コストを節約できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図３は本発明のマイクロ流体チップの構造の概略図である。図３に示されるように、マイクロ流体チップ３００は少なくとも一つの空気導入チャネル３０１、少なくとも一つの反応物質チャンバ３０２、一つの反応チャンバ３０３、廃棄流体チャンバ３０４、内蔵マイクロポンプ３０５を具えている。該マイクロポンプ３０５はチャネル３０５ａ、チャネル３０５ａ内の高比重不活性流体材料３０５ｂ、吸入チャネル３０５ｃを具えている。該空気導入チャネル３０１は各反応物質チャンバ３０２に接続されている。反応物質チャンバ３０２は反応前に反応物質（図示せず）を保存するのに用いられる。反応物質チャンバ３０２の底部は反応物質を反応チャンバ３０３に流入させるチャネルとされ、反応チャンバ３０３で反応が行なわれる。廃棄流体チャンバ３０４は一端が反応チャンバ３０３に接続され、別端が吸入チャネル３０５ｃに接続されている。廃棄流体チャンバ３０４は反応後の流体を保存する。吸入チャネル３０５ｃは一端が廃棄流体チャンバ３０４に接続され、別端がチャネル３０５ａに接続されている。
【００１６】
本発明によると、特定量の高比重不活性流体材料３０５ｂがチャネル３０５ａ中に置かれる。図３に示されるように、本発明の作業工程は以下のとおりである。まず、不活性流体材料３０５ｂがチャネル３０５ａに入れられ、空気導入チャネル３０１が全てシールされ、これにより空気は進入しなくなる。マイクロ流体チップ３００が直立或いは傾斜ポジションで配置され、空気導入チャネル３０１のシールが取り除かれると、不活性流体材料３０５ｂが引力によりチャネル３０５ａに沿って流れ落ちる。これにより負圧がチャネル３０５ａの上部に形成される。負圧は廃棄流体チャンバ３０４と反応チャンバ３０３を介して吸引力を吸入チャネル３０５ｃにおいて発生させる。上述の吸引力が反応物質チャンバ３０２内の反応物質を駆動して反応チャンバ３０３に移動させる。反応物質が反応チャンバ３０３を流れる間に反応が行なわれ、それから廃棄流体チャンバ３０４に流入する。
【００１７】
上述したように、チャネル３０５ａが曲がりくねったチャネルとされる時、以下のような長所がある。説明を簡単にするため、図３に示される実施例のチャネル３０５ａは曲がりくねったチャネルとされている。図３に示されるように、曲がりくねったチャネル３０５ａは更に複数の曲折点Ｏを具えている。該曲折点は不活性流体材料３０５ｂの流速を遅くするレギュレータとして使用され、これにより流れは一定速度に制御される。曲がりくねったチャネルは以下の目的を達成するために設計される。（１）ポテンシャルの釈放を漸進的として引力と反対の方向のエネルギー消費を防止する、（２）流路の長さを延長してマイクロポンプ３０５の総圧送量を増す、（３）複数の曲折点をバッファとして使用して不活性流体材料の流速を制御する。本発明で使用される不活性流体材料は高比重材料、例えば例えばフィコール（Ｆｉｃｏｌｌ）、ペルフルオロ（ＰｅｒＦｌｕｏｒｏ）化学品（Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ）とされる。
【００１８】
反応物質の駆動力の量と総反応時間に影響を与える因子は多くある。このような因子には不活性流体材料の比重と粘度、不活性流体材料と曲がりくねったチャネルの間の摩擦、曲がりくねったチャネルの形態と長さが含まれる。ゆえに前述の因子は本発明のマイクロ流体チップの設計において制御パラメータとして使用されうる。
【００１９】
図４には本発明の異なる仕事要求に対して選択されうる異なる流体材料の実験結果が表示されている。異なる流体材料を曲がりくねったチャネル中に置かれて総駆動力試験の実験を行なった。使用される材料は、水（比重＝１）、フィコール（Ｆｉｃｏｌｌ）（比重＝１．１１）、ペルフルオロ化学品ＦＣ−４３（比重＝１．８５）、ペルフルオロ化学品ＦＣ−７０（比重＝１．９４）である。実験結果は図４のヒストグラムに示され、それに引力駆動流体材料により圧出される水の高さが記録される（単位：ｍｍＨ2 Ｏ）。結果は、５００ｕｌのフィコール、ＦＣ−４３、ＦＣ７０により、それぞれ６０ｍｍ、１１３．５ｍｍ、１１９．５ｍｍの水が圧送された。
【００２０】
図５は別の本発明の異なる量のペルフルオロ化学品ＦＣ−７０を使用しての実験結果表示図である。結果は、５００ｕｌ、４００ｕｌ、３００ｕｌ、２００ｕｌ、１００ｕｌのペルフルオロ化学品ＦＣ−７０を不活性流体材料として使用すると、引力駆動不活性流体材料により圧送される水の高さは、引力駆動不活性流体材料の量が多いほど高くなり、その関係はほぼ線形である。
【００２１】
図６はフロー制御因子として傾斜ポジションを使用した実験結果を示す。横軸はマイクロ流体チップの傾斜角度（単位：度）を代表し、縦軸は引力駆動不活性流体材料により圧送される水の高さを代表する。各種角度の傾斜ポジションにおいて圧送された水の高さを測定する。結果によると、傾斜角度と圧送される水の高さの間にほぼ線形の関係が存在した。図６と図７は不活性流体材料の量とマイクロ流体チップの傾斜角度が本発明の制御パラメータになりうることを示す。
【００２２】
図７は異なる量のＦＣ−７０を不活性流体材料として使用してマイクロポンプに接続された水平チューブ中を圧送される水の流速を測定した結果を示す。横軸は時間（単位：秒）を、縦軸は水平チューブにおける水の圧送量（単位：マイクロリットル）を代表する。ゆえに、図７中の勾配は流速を示す。実験では２００ｕｌ、３００ｕｌ、４００ｕｌ、５００ｕｌのＦＣ−７０を水を圧送するのに使用し、図８に示される結果は、圧送量の増加は安定して小さい標準偏差（０．２７ｕｌ／ｓ）しかないことを示す。ゆえに、この実験は本発明の一定流速を示す。
【００２３】
以上の実施例は本発明の請求範囲を制限するものではなく、本発明に基づきなしるうる細部の修飾或いは改変は、いずれも本発明の請求範囲に属するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】流体が縦の増幅波とマイクロチャネル内の流体の相互作用により圧送される周知のマイクロポンプの表示図である。
【図２】周知の固定流速のマイクロ流体引力ポンプの表示図である。
【図３】本発明のマイクロ流体チップの概略図である。
【図４】本発明の異なる仕事要求に対して選択されうる異なる流体材料の実験結果表示図である。
【図５】本発明の異なる量の不活性流体材料を使用しての実験結果表示図である。
【図６】本発明の実施例の異なる傾斜角度を使用した実験結果表示図である。
【図７】本発明の実施例の異なる量の不活性流体材料を使用した実験結果表示図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０５  増幅変換器
１０６  チャネル
３００  マイクロ流体チップ
３０１  空気導入チャネル
３０２  反応物質チャンバ
３０３  反応チャンバ
３０４  廃棄流体チャンバ
３０５  内蔵マイクロポンプ
３０５ａ  チャネル
３０５ｂ  不活性流体材料
３０５ｃ  吸入チャネル
【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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