(57)【要約】【課題】  微小流路の断面積を可変として、流れを高精度に制御することを可能とした、新しいマイクロチップバルブ構造体を提供する。【解決手段】  対向する基板の当接部に微小流路を構成したマイクロチップにおいて、スライドまたは回動する弁体により微小流路の断面積を可変とするバルブ機構が具備されているものとする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する基板の当接部に微小流路を構成したマイクロチップにおいて、スライドまたは回動する弁体により微小流路の断面積を可変とするバルブ機構が具備されていることを特徴とするマイクロチップバルブ構造体。
【請求項２】
モーターの回転によってネジ機構またはボール・スクリュー機構を介しての弁体のスライドが行われるバルブ機構が具備されていることを特徴とする請求項１のマイクロチップバルブ構造体。
【請求項３】
弁体は、微小流路に内挿される突起であることを特徴とする請求項２のマイクロチップバルブ構造体。
【請求項４】
弁体は、ダイヤフラムとこれを押し引きする突起であることを特徴とする請求項２のマイクロチップバルブ構造体。
【請求項５】
モーターの回転によって微小流路内の弁体が回動するバルブ機構が具備されていることを特徴とする請求項１のマイクロチップバルブ構造体。
【請求項６】
複数のバルブ機構が配設され、同一または別異の微小流路の断面積を可変とすることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかのマイクロチップバルブ構造体。
【請求項７】
同一の微小流路に対向する二つのバルブ機構を配設し、その間の距離をもって一定容積の液体の切り取り制御を可能としたことを特徴とする請求項６のマイクロチップバルブ構造体。
【請求項８】
対向する二つのバルブ機構の配設距離を可変とした請求項７のマイクロチップバルブ構造体。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかのマイクロチップバルブ構造体において、バルブ機構が配設されるマイクロチップ内の微小流路の表面およびバルブ機構の表面の少くともいずれかの部位が表面処理されていることを特徴とするマイクロチップバルブ構造体。
【請求項１０】
材質表面と化学結合する物質により表面処理されていることを特徴とする請求項９のマイクロチップバルブ構造体。
【請求項１１】
材質表面に物理吸着する物質により表面処理されていることを特徴とする請求項９のマイクロチップバルブ構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願の発明は、マイクロチップバルブ構造体に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、微小流路の断面積を可変として、流れを高精度に制御することを可能とした、新しいマイクロチップバルブ構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ガラス等の基板表面にリソグラフィー等の微細加工技術によって深さ１００μｍ、幅５００μｍ程度までの大きさの溝を形成して、この溝を液体や気体の微細流路とし、化学反応、生化学反応、溶媒抽出、気液分離、さらにはこれらに基づく微量成分の化学分析や非接触光学分析等を可能としたマイクロチップ技術が知られている。
【０００３】
このマイクロチップ技術においては、微小流路での流れを制御することが重要な課題の一つであって、これまでにも、
ｉ）微小流路内の固定した堰き止め構造を設ける方法（たとえば非特許文献１）や、
ii）ダイヤフラムを気体や液体によって駆動するバルブ構造を用いる方法（非特許文献２）、
iii)表面修飾をした微小流路を用いる方法（非特許文献３）
等によって流れを制御することが提案されている。
【０００４】
しかしながら、これら従来の方法では、以下のような問題点があった。
【０００５】
ｉ）微小流路内の固定した堰き止め構造を設ける方法
ダムや微小な柵や柱のような構造体を微小流路中に作り込み、微小流路中の流れを制御したり、その流れや構造体自体によってマイクロビーズを堰き止めることによってマイクロビーズの輸送を制御する方法である。マイクロビーズの制御が固定的で確実であるという利点がある。しかし、溜まったマイクロビーズを取り去るためには、流す液体を逆流させる必要があること、径の異なるマイクロビーズに可変的に対応できないこと、作製が高コストであることという欠点がある。更には、常に液体が抵抗を受け流れにくいため、強力なポンプが必要である。
【０００６】
ii）ダイヤフラムを気体や液体によって駆動するバルブ構造を用いる方法
ダイヤフラムを気体や液体によって駆動することにより、微小流路を塞ぐ方法である。簡便で、ダイヤフラムが微小流路と密着可能な構造を作り混むことにより、微小流路を完全に塞ぐことも可能であるという利点がある。しかし、ダイヤフラムの動きを制御することが難しいため、液体の逆流が避けられないこと、微小流路の設計に制約があるという欠点がある。
【０００７】
iii)表面修飾をした微小流路を用いる方法〔３〕
微小流路の内壁をoctadecyltrichlorosilaneのようなシランカップリング剤等によって疎水化処理することによって疎水的な液体を流れやすくし、親水的な液体を流れにくくしたりすることができる。逆に、例えば、マイクロリアクター・チップの材料がガラスの場合は内壁表面を充分に洗浄することによって、材料がプラスチックの場合は紫外線照射やプラズマ洗浄によって親水化することができ、親水的な液体を流れやすくし、疎水的な液体を流れにくくすることが可能である。こうした疎水化、親水化の処理を微小流路の特定部位に行うことによって、微小流路内での液体の流れを制御するバルブとして用いることができる。しかし、この表面修飾によるバルブは液体の堰き止めが弱く、液体を制御するには適していない。
【非特許文献１】A.Russom et al.(2002) Proceedings of the microTAS 2002 symposium,Nara, pp.218-220.
【非特許文献２】K.Ikuta et al.(2002) ibid,pp.37-39.
【非特許文献３】N.Y.Lee et al.(2002) ibid,pp.667-669.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、この出願の発明は、以上のような従来技術の問題点を解消し、微小流路の断面積を可変とし、流れを高精度に制御することを可能とした、新しいマイクロチップバルブ構造体を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、対向する基板の当接部に微小流路を構成したマイクロチップにおいて、スライドまたは回動する弁体により微小流路の断面積を可変とするバルブ機構が具備されていることを特徴とするマイクロチップバルブ構造体を提供する。
【００１０】
そして、この出願の発明は、第２には、モーターの回転によってネジ機構またはボール・スクリュー機構を介しての弁体のスライドが行われるバルブ機構が具備されていることを特徴とするマイクロチップバルブ構造体を、第３には、弁体は、微小流路に内挿される突起であることを特徴とするマイクロチップバルブ構造体を、第４には、弁体は、ダイヤフラムとこれを押し引きする突起であることを特徴とするマイクロチップバルブ構造体を提供する。
【００１１】
また、この出願の発明は、第５には、モーターの回転によって微小流路内の弁体が回動するバルブ機構が具備されていることを特徴とするマイクロチップバルブ構造体を提供する。
【００１２】
さらに、この出願の発明は、第６には、以上の、複数のバルブ機構が配設され、同一または別異の微小流路の断面積を可変とすることを特徴とするマイクロチップバルブ構造体を提供し、第７には、同一の微小流路に対向する二つのバルブ機構を配設し、その間の距離をもって一定容積の液体の切り取り制御を可能としたことを特徴とするマイクロチップバルブ構造体を、第８には、この対向する二つのバルブ機構の配設距離を可変としたことを特徴とするマイクロチップバルブ構造体を提供する。
【００１３】
以上のいずれかの発明のマイクロチップバルブ構造体について、この出願の発明は、第９には、バルブ機構が配設されるマイクロチップ内の微小流路の表面およびバルブ機構の表面の少くともいずれかの部位が表面処理されていることを特徴とするマイクロチップバルブ構造体を提供し、第１０には、材質表面と化学結合する物質により表面処理されていることを特徴とする上記のバルブ構造体を、第１１には、材質表面に物理吸着する物質により表面処理されていることを特徴とする上記のバルブ構造体を提供する。
【発明の効果】
【００１４】
上記のとおりのこの出願の発明によれば、以下の実施のための最良の形態にも説明したとおり、微小流路の断面積を可変として、流れを高精度に制御することを可能とした、新しいマイクロチップバルブ構造体が提供される。この構造体によれば、たとえば具体的に次のような効果が得られる。
【００１５】
１）マイクロチップ上の微小流路、すなわちマイクロチャネル内での流体制御が可能である。
【００１６】
２）マイクロチャネル内の流体をせき止めることができる。
【００１７】
３）マイクロリアクター・チップの基板面から微小流路に通じる穴を開け、突起を挿入するようにバルブ機構を搭載するだけでよく、微小流路の設計への負担が軽く、組み立てが簡単である。
【００１８】
４）突起の動きを制御することによって、微小流路内での液体の逆流を防ぐことができる。
【００１９】
５）必要な時だけ、微小流路を堰き止めるため、非力なポンプを利用でき、低コストである。弁を構成する突起のみを容易に取り替え可能であるので、微小流路の径に併せて交換ができる。また、汚れた場合にも簡単に交換できる。
【００２０】
６）そして、以上のようなバルブ機構が配設されるマイクロチップ内の微小流路（マイクロチャンネル）の表面や、バルブ機構、つまり、弁体やその周囲、周辺の表面を表面処理することによって、表面を親水性あるいは疎水性して、バルブ機構の駆動部に摺動性をもたせたり、液漏れを防止することが効果的に可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００２２】
この出願の発明のマイクロチップバルブ構造体においては、前記のとおり、対向する基板の当接部に微小流路を構成したマイクロチップにおいて、スライドまたは回動する弁体により微小流路の断面積を可変とするバルブ機構が具備されていることを特徴としている。すなわち、その基本は、ガラスやシリコン、樹脂等の基板上へ集積化したマイクロチップに搭載するバルブ機構の構造として、微小流路断面を空間的に遮断して液体の動態を制御することや空間的に完全に遮断せずに微小流路の断面積を可変として微小流路中の液体の流量及び挙動を調節すること、さらには、空間的に完全に遮断しない場合、つまり多少の隙間があっても、液体の流れを完全に遮断することを可能としている。また、バルブ全体を表面処理することによって、マイクロチップ内の液体の動態を制御することも可能としている。
【００２３】
これらのことを可能とするこの出願の発明のマイクロチップバルブ構造体においては、スライドまたは回動する弁体を用いている。
【００２４】
スライドされる弁体としては、その機構は各種のものであってよいが、たとえば好適なものとして、モーターの回転によってネジ機構またはボール・スクリュー機構を介しての弁体のスライドが行われるバルブ機構が提供される。
【００２５】
この場合の弁体としては、微小流路に内挿される突起であることや、ダイヤフラムとこれを押し引きする突起であることが考慮される。
【００２６】
より詳しく説明すると、微小流路の断面積を可変するためには、弁の微小運動が必要である。大きさがサブミリメーター・レベルの微小流路の場合には、弁を直線前後に運動させれば微小流路の断面積を可変することが可能となる。弁の直線前後運動の実現の方法には、回転式モーターの回転運動を直線前後運動に変換して用いる方法と圧電素子やボイスコイル等を用いて直線前後運動を直接行う方法が考慮される。ただ、後者の圧電素子等を用いる方法は比較的高コストであるため、前者の方が一般的と好適なものとして考えることができる。そこで、前者の方法を用いてバルブ機構を説明すると、弁の直線前後運動によって微小流路の断面積を可変するためには、弁によって遮られた微小流路の隙間を弁の運動によって可変にすればよい。そして、断面積を任意に制御するためには、弁を細かく制御して動かし、その隙間を制御すればよい。これは、たとえば、入力パルスによって回転量を制御可能なステッピング・モーターを回転式モーターとして用いれば好適に実現できる。回転運動を直線前後運動に変換するためには、ネジ式またはボール・スクリュー式を利用することができる。図１は、ネジ式の場合の模式図であり、図２は、ボール・スクリュー式の場合の模式図である。微小流路を任意に分割する弁の直線前後運動を実現するための弁の微小な直線前後運動は、ネジ式の場合はネジの切りの細かさで、ボール・スクリュー式の場合はスクリューの切りの細かさとボールの小型化で実現できるし、ステッピング・モーターに減速ギアを加えることによっても可能である。軸を１回転させた時のネジの前後進距離をリードとすることができる。これらの動作機構をもって、ネジまたはボール・スクリューの先端部に設けた突起が弁として微小流路内に内挿され、その直線前後運動によって、微小流路の断面積を可変とすることができる。
【００２７】
なお、弁の形状は微小流路の形状と完全に合致している必要はない。多少の隙間があっても、マイクロバルブ機構としては液体の流れを所定のものに制御することができ、また、液体の流れを完全に遮断することも可能である。
【００２８】
たとえば具体的に、市販の部品を使って、ボール・スクリュー式でバルブ機構を実現する場合について例示説明すると、減速比２９２分の１の減速ギアを取り付けた回転式ステッピング・モーターとしてＥ−ＨＭ０５０８（セイコーインスツルメンツ）、ボール・スクリューとしてＦＢＳ０１８０．５Ａ（ケーエスエス）を用い、図２に示されたバルブ機構を実現することができる。このボールスクリューのリードは０．５ミリメーターであるので、ボール・スクリュー１回転（３６０度）で、５００ミクロンメーター前後進する。ステッピング・モーターはステップ当たり６０度回転するので、２９２分の１の減速ギアによって、０．２度回転する。ステッピング・モーターが０．２度回転した時はボール・スクリューの前後進は約０．２８ミクロンメーターとなる。ステッピング・モーターの遊びを仮に３ステップと見込んでも、約０．８３ミクロンメーターのステップでボール・スクリューの前後進が可能である。従って、ボール・スクリューの軸の先端に突起を設け、微小流路に内挿した場合、ステッピング・モーターの駆動によって、１ミクロンメーター程度の直線前後進運動を弁である突起が行い得る。対象とされる微小流路の径は数十から数百ミクロンメーターであるので、設計されたバルブ機構は微小流路の断面積を分割可能である。
【００２９】
このようなネジ式またはボール・スクリュー式を利用することによって、弁の運動の速度制御が容易となる。弁の速度制御により、微小流路内への弁の内挿による流れの乱れは制御される。そして、微小流路の断面積の急激な変化による液体の逆流を防ぐことができる。
【００３０】
この出願の発明のマイクロチップバルブ構造体として微小流路への突起を内挿させる機構のものは、弁となる突起を微小流路に内挿するのに、マイクロリアクター・チップのバルブ機構の取り付け面から微小流路まで通じた穴を空けるだけで済み、工作が簡単で低コストであるという優れた利点を有している。
【００３１】
穴の径は弁となる突起に合致させればよい。この穴からの液体の漏れの防止は、突起を囲むｏ−リングや穴断面及びその付近の表面修飾により容易に行える。微小流路を流れる液体が親水的な場合は、表面修飾として、シリコナイズ処理（シランカップリング剤による基板材料表面の疎水化）、表面のテフロン（登録商標）化（サイトップ等）等を行うことが、また、逆に、液体が疎水的な場合は、基板がガラスの場合は洗浄による親水化や親水基を有するシランカップリング剤等を行うことが考慮される。
【００３２】
また、弁として突起とダイヤフラムの組み合わせを用いる場合には、ネジまたはボール・スクリューの先端部がその直線前後運動によってダイヤフラムを押したり引いたりすることによって微小流路の断面積を可変することができる。つまり、弁が突起とダイヤフラムの組み合わせの場合もダイヤフラムの運動距離は弁として突起を微小流路に内挿する場合と同等なので、突起の先端にダイヤフラムを加えればよい。図３は、ダイヤフラムを用いた場合のネジ式のバルブ機構の模式図を示したものである。また、ダイヤフラムを用いる場合は、たとえばネジ式のバルブ機構を例示した図４のように、微小流路の流れをマイクロチップの外側に引き出してもよい。
【００３３】
以上のようなダイヤフラムを用いる場合にも、前記のようなシランカップリング剤等を用いての表面修飾が適宜に施されてよいことは言うまでもない。また、突起やダイヤフラムの材料として金属等の熱伝導性の高いものを用いることにより、突起やダイヤフラムを通して微小流路中の液体の温度制御を行うことができる。熱制御のための熱源や冷却源としては、市販のペルチェ素子やヒーター等を利用できる。これらの熱源や冷却源を突起やダイヤフラムと接続するだけで加熱や冷却が可能である。また、熱電対のような温度センサを突起やダイヤフラムに接続することにより、微小流路内の液体の温度の測定も可能である。
【００３４】
さらにまた、この出願の発明のバルブ構造体においては、モーターの回転によって微小流路内の円形ディスク状の弁体が回動して流路の遮断や切換えが可能とされるバルブ機構も提供される。
【００３５】
図５は、この回転型マイクロバルブ機構のバルブ回転可動体の断面を例示したものである。バルブ回転可動体、つまり円形ディスク状の弁体としてはステンレスやガラスディスク等の各種の素材のもので構成することができる。たとえば、この円形ディスク状のバルブ回転可動体には、マイクロチップに形成した微小流路における液体の流通やその流れ方向の制御を可能とする通液孔や微細溝が形成されていてよい。
【００３６】
たとえば図５の例では、シャフト径０．５ｍｍ、バルブ回転可動体の外径２ｍｍ、その厚み１．４ｍｍの寸法のものとして構成している。図６（Ａ）（Ｂ）は、このような回転マイクロバルブ機構を微小流路の横断面とともに開閉状態として例示したものであるが、図６（Ａ）の開放状態では、バルブ回転可動体（１）としての弁体に設けた通液孔（１１）がたとえばガラスマイクロチップ（２）に設けた微小流路（２１）と連通した状態となる。そして、この通液孔（１１）が微小流路（２１）に面する断面積が弁体の回動の程度によって可変とされることになる。一方、弁体が回動すると、図６（Ｂ）のようにこの連通状態が遮断されることになる。
【００３７】
このような回転型バルブ機構における回転可動体としての弁体に設ける通液孔や微細溝の配置によっては、三方切換えや、四方切換等の流れの切換え制御も可能となる。たとえば図７は、このような切り替えマイクロバルブ機構としての回転可動体の例を示したものである。
【００３８】
また、この出願の発明においては、複数のバルブ機構を１つのマイクロチップに搭載することができる。複数のバルブ機構は、同種または異種の機構であってよく、同一の微小流路に配置してもよいし、あるいは、別異の流路に配置してもよい。さらには、マイクロチップの両面に配置することや、１つのバルブ機構に複数の弁を持たせることも容易に可能である。
【００３９】
同一の微小流路の異なる箇所にバルブ機構を複数搭載する場合には、微小流路中の液体を弁で区切り、任意の容積の液体を得ることができる。これにより、液体の容積を一定にし、その液中での化学反応を制御することもできる。
【００４０】
図８は、突起を有するピンの直接挿入型マイクロバルブ（ボールスクリュー型）がマイクロチップ上の別異の微小流路に配置された例を示したものである。平面図と、Ａ−Ａ断面およびＢ−Ｂ断面を示した図８においては、ガラスマイクロチップに設けた幅０．２０ｍｍ、深さ０．１０ｍｍの半円形の微小流路に、穴内径（Ｉ．Ｄ．）０．２０ｍｍの穴からピンが挿入されるバルブ機構が二つの流路の各々に設けられている。
【００４１】
図９は、同一の微小流路の異なる箇所にバルブ機構を複数搭載することで、微小流路中の液体を弁で区切り、その区切りの長さをもって特定容積の液体を得るようにしたナノインジェターチップシステムを例示したものである。この例においては、二つのマイクロバルブ間微小流路の距離をバルブユニットにより可変とすることで、この距離、すなわちインジェクション長さに応じて任意の容積の液体が得られるようにしている。
【００４２】
この液体容積の調節はたとえば次のように可能とされる。
【００４３】
【表１】
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【００４４】
そして、たとえば上記のようなバルブユニットをマイクロチップに集積化することによって、液体流れの制御はもとより、所定容積の液体の流通や遮断、その反応への利用等の精密なコントロールが可能となる。
【００４５】
以上の例示説明においては、モーター回転のための電源装置やその機構については説明を省略しているが、適宜に配置されることは言うまでもない。また、マイクロチップにおける基板や微小流路についての様々な形態、それらの組合わせについても説明を省略しているが、様々に可能とされることは言うまでもない。
【００４６】
また、すでに例示もしたように、微小流路（マイクロチャンネル）やバルブ機構のための弁体や穴断面、そしてそれらの周囲や周辺の表面をシランカップリング化合物等を用いての化学結合による修飾で処理することや、あるいはテフロン（登録商標）膜や、シリコンゴム、その他弾性体物質による物理的吸着、さらには、バルブの駆動部に摺動性を持たせたり、液漏れを防止させる物理的吸着膜の形成、その他炭素物質の気相蒸着によって表面処理することも様々に可能とされる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって微小流路の断面積を可変とし、かつ流れを高精度に制御することが可能になる。このことによって、マイクロチップを用いる超微量化学分析、生物化学分析、抽出、分離等の精密操作、あるいは化学合成反応や生化学反応のための精密操作が格段に高度化されることになる。マイクロテクノロジー、ひいてはナノテクノロジーの発展に大きく貢献することになる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】ネジ式の突起バルブ機構について例示した模式図である。
【図２】ボール・スクリュー式の突起バルブ機構について例示した模式図である。
【図３】ネジ式のダイヤフラムバルブ機構を例示した模式図である。
【図４】ダイヤフラムを用いて微小流路の流れをマイクロチップの外側に引き出した例を示した模式図である。
【図５】回転型マイクロバルブ機構の回転可動体を例示した断面模式図である。
【図６】図５の例について（Ａ）開（Ｂ）閉の動作状態として例示した断面模式図である。
【図７】切り替えマイクロバルブの回転部を例示した模式図である。
【図８】別異の微小流路の各々にピン直接挿入型マイクロバルブを設けた例を示した模式図である。
【図９】ナノインジェクターチップシステムを例示した模式図である。
【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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【図８】
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【図９】
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