(57)【要約】【課題】  微小反応デバイスや微小分析デバイスにおいて試料中に含まれる気泡をこれまで以上に効率良く、かつ、簡単に取り除くことがことが可能であるマイクロ脱気デバイスを提供する。【解決手段】  液体を導入するための導入部２と、導入された液体に含有される気泡を取り除くための脱気回路部３と、脱気された液体を排出するための出力部４とを有するマイクロ脱気デバイス１である。脱気回路部３が平面基板と、平面基板内の面方向に形成された長尺な流路とを備え、流路の上壁面および／または底面を形成する平面基板が高気体透過性材料により形成されている。【選択図】        図１
2005329333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を導入するための導入部と、導入された液体に含有される気泡を取り除くための脱気回路部と、脱気された液体を排出するための出力部とを有するマイクロ脱気デバイスにおいて、前記脱気回路部が平面基板と、該平面基板内の面方向に形成された長尺な流路とを備え、該流路の上壁面および／または底面を形成する前記平面基板が高気体透過性材料により形成されていることを特徴とするマイクロ脱気デバイス。
【請求項２】
前記流路の上壁面および／または底面から、高気体透過性材料により形成されている前記平面基板の表面までの厚さが１ｍｍ以下である請求項１記載のマイクロ脱気デバイス。
【請求項３】
前記平面基板が２層構造を有し、いずれか一方または双方の層が高気体透過性材料により形成されている請求項１または２記載のマイクロ脱気デバイス。
【請求項４】
前記流路の長手方向に対し直交する断面の形状が矩形をなす請求項１〜３のうちいずれか一項記載のマイクロ脱気デバイス。
【請求項５】
前記平面基板内において、前記流路の側壁を介して減圧空間が形成されている請求項１〜４のうちいずれか一項記載のマイクロ脱気デバイス。
【請求項６】
流路の長手方向の長さが少なくとも１ｍである請求項１〜５のうちいずれか一項記載のマイクロ脱気デバイス。
【請求項７】
前記流路が２以上の流路に分岐している請求項１〜６のうちいずれか一項記載のマイクロ脱気デバイス。
【請求項８】
前記脱気回路部の流路壁面の少なくとも一部が疎水性である請求項１〜７のうちいずれか一項記載のマイクロ脱気デバイス。
【請求項９】
温度調節機構を有する請求項１〜８のうちいずれか一項記載のマイクロ脱気デバイス。
【請求項１０】
前記流路が長手方向に対しジグザグ状である請求項１〜９のうちいずれか一項記載のマイクロ脱気デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ脱気デバイスに関し、詳しくは、微小反応デバイスや微小分析デバイスにおいて、流路内の試料中に含まれる気泡を容易に取り除くことがことが可能であるマイクロ脱気デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、微小空間における反応、分析システムの開発およびそのシステムの小型化に伴うシステムのサンプル送液流路および反応系の微小・集積化が求められており、その分野における研究開発が盛んに行われている。かかるマイクロデバイスに使用するサンプルの量はマイクロリットルまたはピコリットルと極めて微量なサンプル量である。
【０００３】
このようなマイクロデバイスを使用し、抗原抗体反応検出のような複雑な反応を行った場合、導入する溶液の交換が必要となり、その際に微量ではあるが気泡が溶液に混入することがあった。また、微小流路におけるコンテニアスフロー型のＰＣＲ（polymerase chain reaction）デバイスにおいても、試料の温度を高めるため、流路内に気泡が発生することがあった。このような気泡の発生は、送液の不安定化や、ノイズまたは誤差の原因となるおそれがあった。
【０００４】
従来、微小領域での気泡混入問題に対しては、流路内に疎水表面の微小孔を設けたり、部分的に疎水処理した気液分離チャンネルを設けたりすることが知られていた。また、特許文献１には、液体クロマトグラフィーで分離、分析する溶液中に溶存する気体成分を除去して微量かつ精密な高速送液を可能とした高速液体クロマトグラフィー用の脱気装置が開示されている。この脱気装置は、気体透過性の偏平チューブから構成された脱気モジュールと、この脱気モジュールを収容する真空チャンバーから構成されている。
【特許文献１】特開２０００−２７５２２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、微小領域での気泡混入を防止するために流路内に疎水表面の微小孔を設けたり、部分的に疎水処理した気液分離チャンネルを設けたりする方法では、粘性の低い溶液を扱う場合や、流路抵抗変化による送液圧力変化が起こる系では充分に対応できないという問題があった。また、特許文献１に記載されているような偏平チューブから構成された脱気モジュールは、引き延し成形により細く、肉厚を薄くして形成されているため、流路断面形状の制御が困難であるという問題があった。また、真空チャンバーの形成を必要とし、コスト的にも高価なものであった。
【０００６】
そこで本発明の目的は、微小反応デバイスや微小分析デバイスにおいて試料中に含まれる気泡をこれまで以上に効率良く、かつ、簡単に取り除くことがことが可能であるマイクロ脱気デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、高気体透過性の材料により特定流路デザインの微小流路を作製したところ、その流路に液体を流すだけで、その流路抵抗による圧力がかかり、高気体透過性の材料を通して液体中に含有される気泡が良好に取り除かれることを見出し、これにより、圧力変化や送液するサンプルの性質によらない確実で簡易なマイクロ脱気デバイスを完成するに至った。
【０００８】
即ち、本発明のマイクロ脱気デバイスは、液体を導入するための導入部と、導入された液体に含有される気泡を取り除くための脱気回路部と、脱気された液体を排出するための出力部とを有するマイクロ脱気デバイスにおいて、前記脱気回路部が平面基板と、該平面基板内の面方向に形成された長尺な流路とを備え、該流路の上壁面および／または底面を形成する前記平面基板が高気体透過性材料により形成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、流路に弁等の複雑な構造を作製することなく、簡便にしかも確実に気泡および含有気体を取り除くことができる。また、微小流路を分岐させ並列に接続することにより、送液圧力を変化させることなく、流量を増やすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
図１は、本発明の好適例のマイクロ脱気デバイスの平面概略図である。
図示するマイクロ脱気デバイス１は、液体を導入するための導入部２と、導入された液体に含有される気泡を取り除くための脱気回路部３と、脱気された液体を排出するための出力部４とを有する。ここで、脱気回路部３は、図１に示すマイクロ脱気デバイス１の断面を拡大して示す図２に見られるように、上層６および下層７の２層構造を有する平面基板５の上層６に連続的に溝を形成することにより流路８が形成されている。なお、図示する例では、上層６に流路用の溝が形成されているが、下層７に同様の溝を設けてもよい。
【００１１】
本発明においては、上層６および下層７のいずれか一方または双方の層を高気体透過性材料により形成することが重要である。これにより、平面基板５内の流路８の上壁面９および底面１０のいずれか一方または双方を形成する平面基板５が高気体透過性材料により形成されることになる。
【００１２】
高気体透過性材料は、空気の組成である酸素に注目すると酸素透過率で１．０×１０-17ｍ3・ｍ／（ｍ2・ｓ・Ｐａ）以上であることが好ましく、この酸素透過率が１．０×１０-17ｍ3・ｍ／（ｍ2・ｓ・Ｐａ）未満の材料となると、良好な脱気を行うことができなくなる。
【００１３】
本発明に使用できる高気体透過性材料としては、例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、シリコーン樹脂、低密度ポリエチレン、トリメチルシリル基含有高分子材料で例えばオルガノシロキサンの他、気体透過性ハードコンタクトレンズの材料として使用されているシロキサニルメタクリレート（ＳｉＭＡ）とメチルメタクリレート（ＭＭＡ）とを主体とするコポリマー、セルロースアセテートブチレート（ＣＡＢ）、ＳｉＭＡとフルオロアルキルメタクリレート（ＦＭＡ）とメタクリル酸（ＭＭＡ）とを主体とするコポリマー、シロキサニルスチレンとＦＭＡとを主体とするコポリマーおよびブチルメタクリレートとブチルアクリレートとのコポリマー等を好適に挙げることができ、好ましくは、５．０×１０-15ｍ3・ｍ／（ｍ2・ｓ・Ｐａ）程度の酸素透過率を有するＰＤＭＳおよび酸素透過率５．５×１０-15ｍ3・ｍ／（ｍ2・ｓ・Ｐａ）のシリコーン樹脂である。更には、強度を上げるためにＰＤＭＳにガラス状高分子をブロック共重合させた、例えば、ＰＤＭＳとポリカーボネイトのブロック共重合材料がある。ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）は、例えば、ダウコーニング社より商品名シルガード１８４として入手することができる。
【００１４】
このようにして形成されたマイクロ脱気デバイス１の流路８に液体を流し込むと、それだけで、その流路抵抗による圧力がかかり、高気体透過性材料を通して液体中に含有される気泡が良好に取り除かれることになる。かかる効果は、上層６および下層７のいずれか一方のみを高気体透過性材料で構成しても充分に得られるが、双方を高気体透過性材料で構成することにより、より優れた効果を得ることができる。
【００１５】
上層６および下層７の双方を高気体透過性材料で構成する場合には、図３に概略的に示すように、平面基板５の両縁部にスペーサ１１を介してガラス板等の基板１２を設けることが好ましい。このように下層７の下部を通気性とすることにより、下層７の高気体透過性を良好に保つことができる。
【００１６】
なお、上層６のみを高気体透過性材料により形成した場合には、下層７をガラス板はまたは合成樹脂板等の基板で形成すればよく、上述のようにスペーサ１１を設ける必要はなくなる。
【００１７】
流路８の上壁面９上が高気体透過性材料である場合は、その上壁面９から高気体透過性材料により形成されている平面基板５の表面までの厚さは１ｍｍ以下であることが好ましく、同様に、流路８の底面１０下が高気体透過性材料である場合には、その底面１０から高気体透過性材料により形成されている平面基板５の裏面までの厚さが１ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、高気体透過性を良好に維持することができる。但し、デバイスの剛性を失わない程度とする。  
【００１８】
また、流路８の長手方向に対し直交する断面の形状が矩形をなすことが好ましい。流路８の断面の形状が扁平になるに従い、液体と接触する流路面積／デバイス体積の比が大きくなり、デバイスにおける接触面積の割合が増え、また液体の気体含有濃度勾配が小さくなる。よって、これによりデバイス全体の脱気能力を高めることができる。
【００１９】
同様の理由から、送液する液体とデバイスとの接触面積を広げるために流路８の長手方向を少なくとも１ｍとすることが好ましく、また、図示はしないが、流路８を２以上の流路に分岐させ（この場合、１枚の基板でも、あるいは複数枚の基板を互いに接続させてもよい）、分岐した複数の流路を並列に接続させてもよい。このように分岐させることにより、送液圧力を変化させることなく、流量を増やすことができるという効果も得られる。
【００２０】
また、流路８の壁面の少なくとも一部を疎水性とすることも好ましく、これにより流路抵抗が高くなり、気泡にかかる圧力も大きくなって、脱気速度が上昇する。さらに、デバイスに温度調節機構を設けることも好ましく、これにより送液する液体の拡散係数を大きくすることができる。
【００２１】
マイクロ脱気デバイスを２層構造とすることで、既知のフォトファブリケーション技術を利用することにより自由なデザインで微小流路を作製することが可能となる。よって、本発明のマイクロ脱気デバイスは簡易に製造することができる。
【００２２】
次に、本発明の他の好適例のマイクロ脱気デバイスの平面概略図を図４に示す。
図４の２２は導入部を、２４は出力部を表し、マイクロ脱気デバイス２１の断面を拡大したものを図５に示す。平面基板２５内において、流路２８の側壁２９を介して減圧空間３０が形成されている。図示する脱気回路部２３では、上層２６および下層２７の２層構造を有し、上層２６に連続的に溝を形成することにより流路２８が形成され、かつ、流路２８の側壁２９を介して減圧空間３０が形成されている。減圧空間３０は排気口３１より減圧ポンプ（図示せず）に接続されている。脱気にかかる側壁２９の厚さはマスクパターンのデザインにより自由に変更することができる。また、デバイスに厚みを持たせても脱気とは直接関係しないため、デバイスにある程度の強度を持たせることができ、真空ポンプで流路周りを減圧することも可能である。
【００２３】
図示するタイプのマイクロ脱気デバイス２１では、少なくとも上層２６が高気体透過性材料により形成され、よって、側壁２９も同様の材料で形成され、その結果、減圧空間３０を減圧することで流路２８内の液体中に含有される気泡が主に側壁２９を通して良好に取り除かれることになる。以上のことから、流路２８は、図示するように、マイクロ脱気デバイス２１の厚さ方向に扁平に形成されていることが好ましく、これによりデバイスにおける接触面積の割合が増え、脱気効率を高めることが可能となる。
【００２４】
なお、かかる流路２８および減圧空間３０を設ける以外は上記好適例と同様にしてマイクロ脱気デバイス２１を製造することができる。また、平面基板２５にゴム状態の材料を使用する場合、側壁２９の厚さを薄くすると外力により変形しやすくなる。このため、図５に示すような流路２８において、より密なデザインの部位に高圧力にて送液することにより側壁２９が変形し、隣接する流路２８に接触する。これを防ぐために、流路２８は長手方向に対しジグザグ状であることが好ましい。
【実施例】
【００２５】
以下、本発明を実験例に基づき説明する。
本実験例においては、使用するデバイスには高気体透過材料として、微細加工を行うことが容易であり、現在、μ−ＴＡＳの研究開発で盛んに用いられているＰＤＭＳ（ダウコーニング社製、シルガード１８４）を使用し、厚膜レジストＳＵ−８を用いてソフトリソグラフィーにより作製した。また、実験方法は、まず、デバイス流路内に完全に水を充填した。次に、任意の量の気泡を導入部から導入した後、シリンジにより送液を行った。気泡は送液されることにより徐々に小さくなり、最終的には停止する。気泡の量と気泡の停止位置を調べることにより、種々の条件およびデバイス形状における脱気能力を検討した。
【００２６】
実験例１
図１および図２に模式図として示されたマイクロ脱気デバイスを用い、気体透過の速さに対する送液の流速の効果を検討した。図１において脱気回路部３における流路８の全長は３ｍ、ＬAは２０ｍｍである。また、図２において上層６はソフトリソグラフィーにより溝を配設し、ＬBは１００μｍ、ＬCは５０μｍ、ＬDは０．６ｍｍであり、材料としてＰＤＭＳを使用した。また、下層７は材料としてガラスを使用した。
【００２７】
０．７５μＬ／ｍｉｎ、１．５μＬ／ｍｉｎ、２．０μＬ／ｍｉｎおよび３．０μＬ／ｍｉｎの流速にて行った。なお、気泡の量は脱気回路部の流路の長さを測定することにより決定した。測定結果を図６に示す。流速が増加するに従い、気泡の停止位置が短くなることが確認された。このことから、流速が増加するに従い、流路抵抗により圧力勾配が大きくなり気体透過も速くなることがわかる。  
【００２８】
実験例２
図２における上壁面９から平面基板５の表面までの厚さ、つまり主に気体透過に係ると予想される部分の厚さによる気体透過の速さへの効果を検討した。図２における長さＬDを除き、実験例１と同様のマイクロ脱気デバイスを使用した。ＬDの厚さは０．６ｍｍ、２．１ｍｍおよび３．３ｍｍとした。測定結果を図７に示す。今回用いた上層６の厚さでは、気体透過の速さに対してほとんど影響を与えないことが確認された。このことから数ミリオーダの厚さでは、デバイス外への気体の排出に係る拡散要素の影響は小さいと推測される。
【００２９】
実験例３
実験例２より更に上層６の厚さを薄くし、気体透過の速さへの効果を検討した。なお、ＬDを０．１ｍｍ、０．６ｍｍとして行った。測定結果を図８に示す。今回の実験においては気体透過の速さに明らかな差が生じ、より厚さが薄い方が気体透過が速くなることが確認された。このことから、数十マイクロオーダよりも薄くなると、デバイス外への気体の排出に係る拡散要素の影響は大きくなると推測される。
【００３０】
実験例４
図２に示す流路８を更に扁平にし、また、下層７にガラスではなくＰＤＭＳシートを使用し、気体透過の速さを検討した。図３に模式図として示されたマイクロ脱気デバイス１を脱気回路部３のみ薄くし作製した。なお、上層６の材料には実験例１〜３と同様、ＰＤＭＳを使用し、図２におけるＬBは１００μｍ、ＬCは２５μｍ、ＬDは１２０μｍ、ＬEは３５μｍとした。また、流速は１．０μＬ／ｍｉｎ、１．５μＬ／ｍｉｎにて行い、導入する気泡の量はシリンジの目盛りにより決定した。
【００３１】
気泡の動きは実験例１〜３と異なり、まず気泡が流路内に導入されると、気泡の量に応じたある一定のところで停止し、送液されなくなった。その後、流路内に完全に気泡が導入されると再度、進み始めた。測定結果を図９に示す。この結果により、流路をより扁平にし、また、下層７にガラスではなくＰＤＭＳシートを使用することにより気体透過の速さが向上することが確認された。
【００３２】
実験例５
図４および図５に模式図として示されたマイクロ脱気デバイスを用い、減圧空間３０を減圧した際の気体透過の速さへの効果を検討した。図中の脱気回路部２３における流路２８の全長は１．５ｍ、流路幅は３０μｍ、側壁２９の厚さは５０μｍおよびＬFは１００μｍにて行った。なお、流速は１．５μＬ／ｍｉｎとした。
【００３３】
図４に示すように排気口３１は２箇所配設されているが、１箇所から真空引きすることによって流路２８の側壁２９を介して形成された減圧空間３０の片側が減圧される。２箇所から真空引きすることによって両側の減圧空間３０が減圧される。なお、真空引きには到達圧力が９．３×１０4Ｐａのポンプを使用した。２箇所から真空引きを行った際には、気泡が小さくなりながら移動する動きは観察されなかった。測定結果を図１０に示す。これにより、減圧を行わない場合と比較し、１箇所の排気口３１から減圧した場合の方が気体透過の速さが向上し、２箇所の排気口３１から減圧した場合は更に気体透過の速さが向上することが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
分析・合成用フローチップや化学分析装置の試料導入部分に本発明を使用すれば、溶存酸素によるポンプやバルブ等の誤作動を防ぎ、検出機のノイズを軽減することが可能となる。更に、脱気モジュールを小型にできるため装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態に係るマイクロ脱気デバイスを模式的に表す平面図である。
【図２】図１に示すマイクロ脱気デバイスの断面を模式的に表す拡大図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係るマイクロ脱気デバイスを模式的に表す側面図である。
【図４】本発明の更に他の実施形態に係るマイクロ脱気デバイスを模式的に表す平面図である。
【図５】図４に示すマイクロ脱気デバイスの断面を模式的に表す拡大図である。
【図６】実験例１における気泡の量と気泡の停止位置の関係を示すグラフである
【図７】実験例２における気泡の量と気泡の停止位置の関係を示すグラフである。
【図８】実験例３における気泡の量と気泡の停止位置の関係を示すグラフである。
【図９】実験例４における気泡の量と気泡の停止位置の関係を示すグラフである。
【図１０】実験例５における気泡の量と気泡の停止位置の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１、２１  マイクロ脱気デバイス
２、２２  導入部
３、２３  脱気回路部
４、２４  出力部
５、２５  平面基板
６、２６  上層
７、２７  下層
８、２８  流路
９  上壁面
１０  底面
１１  スペーサ
１２  基板
２９  側壁
３０  減圧空間
３１  排気口
【図１】
2005329333.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005329333.tif 000007
【図６】
2005329333.tif 000008
【図７】
2005329333.tif 000009
【図８】
2005329333.tif 000010
【図９】
2005329333.tif 000011
【図１０】
2005329333.tif 000012