(57)【要約】【課題】  μＴＡＳやＬａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐのチップ上等で集積化可能な新規な小型流体素子を提供する。【解決手段】  梁で接続された可動部と非可動部とを同一基板に有し、前記可動部が多成分流体を導入するための流路と流体室を備えており、前記可動部に加速度を与えることにより、前記流体中の成分が混合または分離されることを特徴とする流体素子。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
梁で接続された可動部と非可動部とを同一基板に有し、
前記可動部が多成分流体を導入するための流路と流体室を備えており、
前記可動部に加速度を与えることにより、前記流体中の成分が混合または分離されることを特徴とする流体素子。
【請求項２】
前記流体室にねじり振動を与えることにより、流体の成分分離を行うことを特徴とする請求項１記載の流体素子。
【請求項３】
前記流体室の出力側の流路が、分岐された流路であることを特徴とする請求項１または２記載の流体素子。
【請求項４】
前記非可動部に第１の電極、前記可動部に前記第１の電極と対向する第２の電極を更に備え、
前記第１の電極と前記第２の電極間の静電力により、前記可動部に加速度を与え、前記流体中の成分の混合を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の流体素子。
【請求項５】
前記流路は、特定の方向に前記流体を流すための手段を更に備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の流体素子。
【請求項６】
複数の前記可動部を更に備え、
前記複数の可動部の角速度を所望の方向に制御することにより、前記流体中の成分が混合または分離されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の流体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体素子に関し、具体的には化学分析装置や医療装置、バイオテクノロジー等の微量な液体の操作が必要な分野に用いる液体素子に関する。特に、チップ上で化学分析や化学合成を行う小型化分析システム（μＴＡＳ：Ｍｉｃｒｏ  Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍ）等に応用される小型流体素子に関し、血液からの血球成分の除去や、異種の流体の混合、及び固形成分の溶解、反応促進等に応用される流体素子に関する。また、血液から病気関連の物質を取り除く療法、アファレシス療法に際して行われる、血漿分離操作等に応用される。
【背景技術】
【０００２】
近年、立体微細加工技術の発展に伴い、ガラスやシリコン等の基板上に、微小な流路とポンプ、バルブ等の液体素子およびセンサを集積化し、その基板上で化学分析を行うシステムが注目されている。これらのシステムは、小型化分析システム、μ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍ）あるいはＬａｂ  ｏｎ  ａ  Ｃｈｉｐと呼ばれている。化学分析システムを小型化することにより、無効体積の減少や試料の分量の大幅な低減が可能となる。
【０００３】
また、分析時間の短縮やシステム全体の低消費電力化が可能となる。さらに、小型化によりシステムの低価格を期待することができる。μ−ＴＡＳは、システムの小型化、低価格化および分析時間の大幅な短縮が可能なことから、在宅医療やベッドサイドモニタ等の医療分野、ＤＮＡ解析やプロテオーム解析等のバイオ分野での応用が期待されている。
【０００４】
溶液を混合して反応を行った後、定量及び分析をしてから分離するという一連の生化学実験操作をいくつかのセルの組み合わせによって実現可能なマイクロリアクタが開示されている（特許文献１参照）。マイクロリアクタは、シリコン基板上に平板で密閉された独立した反応チャンバを有している。このリアクタは、リザーバセル、混合セル、反応セル、検出セル、分離セルが組み合わされている。このリアクタを基板上に多数個形成することにより、多数の生化学反応を同時に並列的に行うことができる。さらに、単なる分析だけでなく、タンパク質合成などの物質合成反応もセル上で行うことができる。
【０００５】
血液を分析する場合、血液から血球等の有形成分を分離する必要が生じる場合がある。白血球除去フィルタ付き血液バックユニットを装着して使う遠心分離装置が開示されている（特許文献２参照）。
【０００６】
また、ガラス繊維を用いて、血液から血球成分を除去する方法が開示されている（特許文献３参照）。
【０００７】
また、赤血球は透過し、白血球を補足するフィルタを用いた赤血球の除去方法が開示されている（特許文献４参照）。
【０００８】
また、網目フィルタを用いた血球分離装置が開示されている（特許文献５参照）。
【０００９】
一方、磁性粒子を利用したカオス的マイクロ混合デバイスが提案されている（非特許文献１参照）。
【００１０】
また、ＭＥＭＳ技術を用いて、流体の密度を共振周波数の変化から測定するデバイスが提案されている（非特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平１０−３３７１７３号公報
【特許文献２】特開平０７−０４７３０３号公報
【特許文献３】特開平０５−０９９９１８号公報
【特許文献４】特開平０８−１０４６４３号公報
【特許文献５】特開２００３−２０７５０４号公報
【非特許文献１】日本機械学会２００２年度年次大会公演資料集（ＶＩ）、２００２年９月、ｐ．２５−２７、東京
【非特許文献２】１９９７ＩＥＥＥ、ｐ２７８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
血液を採取し分析するシステムを構成するためには、血球の分離が重要な課題となる。従来、血液から血球成分を分離する遠心分離機が利用されてきたが、従来の遠心分離装置は、大型でμＴＡＳのチップ上に集積化するのは困難であった。
【００１２】
一方、分子生物学の分野では、生体分子混合溶液の中から特定の細胞やＤＮＡを分離・抽出するために、磁性粒子が利用されている。磁性粒子を利用して生体分子を分離する手法をμＴＡＳのチップ上に集積化する場合、磁性粒子の混合（攪拌）が重要な問題となる。マイクロスケールの流れ場は超低レイノルズ数（Ｒｅ＜＜１）であるため、マイクロスケールにおける混合促進機構である乱流や剥離が発生しない。特に、磁性粒子や生体分子などの巨大分子（直径１〜１０μｍ程度）では、ブラウン運動による分子拡散の効果が極端に小さくなるため、混合が不効率となる課題があった。
【００１３】
本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、μＴＡＳやＬａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐのチップ上等で集積化可能な新規な小型流体素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、梁で接続された可動部と非可動部とを同一基板に有し、前記可動部が多成分流体を導入するための流路と流体室を備えており、前記可動部に加速度を与えることにより、前記流体中の成分が混合または分離されることを特徴とする流体素子を提供するものである。
【００１５】
本発明により、マイクロスケールの流れの中で、流体中の成分の分離または混合を効率的に行える流体素子を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に本発明を具体的に説明する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の特徴を示す図である。１は基板であり、２は可動部、３は可動部に位置する流体室、４ａ−４ｂは前記可動部に接続された梁すなわちねじりバネ、９は混合液体の入力部、１０は流体の出力部である。５はねじりバネ４ａ上に配置された入力側流路であり、６はねじりバネ４ｂ上に配置された出力側流路である。また、１１はねじりバネによるねじれ振動を示し、可動部に周期的な角加速度が与えられることを示す。
【００１８】
また、図２の２１−２２は可動部の裏面に配置した棒磁石を示す。
【００１９】
また、図３は第１の実施の形態の側面図であり、３１はコイル、３２は軟磁性体層、３３はコイル作成基板、３４はスペーサ、３５はコイル駆動用電源である。コイル３１はコイル作成基板面に略垂直な方向に磁界を発生させ、磁界中に置かれた磁石２１−２２にねじりバネの中心を回転軸とするトルクを発生する。
【００２０】
すなわち、本発明は、同一基板１内に梁部分４ａ−４ｂで接続された可動部２と非可動部を有すること、前記可動部２が流体を導入する流路５と流体室３を備えていること、前記可動部２に加速度を与えることにより、混合流体９の成分分離を行うことを特徴とする流体素子である。
【００２１】
今、可動部２の慣性モーメントをＩ、ねじりバネのバネ定数をｋとすると可動部２の共振角振動数ωはω＝（ｋ／Ｉ）０．５となり、共振周波数ｆはｆ＝ω／（２π）となる。
【００２２】
コイル駆動用電源３５により共振周波数に等しい周波数の交流電圧を印加すると、コイルに電流が流れ、基板に垂直な周期的な磁界が発生し、可動部は共振振動を始める。ここで、Ｑ値は空気中では振れ角により異なるがおよそ１０００から数千程度で、真空中では１００００以上となる。
【００２３】
共振状態では、振れ角φは時間ｔに関してφ＝φ０ｓｉｎωｔで記述される。ただし、φ０は最大振れ角である。また、回転の接線方向の角加速度はｄ２φ／ｄｔ２＝−ω２φとなる。また、回転軸から距離ｒ離れた部位での接線方向の速度ｖは
ｖ＝ｒωφ０ｃｏｓωｔとなる。この時の半径方向の加速度ａはａ＝ｖ２／ｒ＝ｒω２φ０２ｃｏｓ２ωｔとなる。すなわち、回転軸から距離ｒ離れた部位で密度ρの流体は単位体積あたりρａ＝ρｖ２／ｒ＝ρｒω２φ０２ｃｏｓ２ωｔなる遠心力が働く。式からわかるようにこの力は時間に対して周期的に変動するが常に正符号となり、密度の大きい流体成分程、回転軸から遠いところに分布するようになる。
【００２４】
すなわち、可動部に配置された流体室３の回転によって発生する遠心力により、流体成分の分離が可能となる。
【００２５】
人間の血液は血漿成分が約５５％で、血球成分は約４５％である。血漿成分の約９１％は水分、約７％が血漿タンパク質、約０．９％が無機塩類となっている。また、血球成分の約９６％が赤血球であり、約３％が白血球、約１％が血小板である。赤血球の比重は１．０９５、白血球の比重は１．０６３−１．０８５、血小板の比重は１．０３２であり、遠心分離操作により、軽い側を血漿成分として分離することができる。
【００２６】
ここで、共振周波数ｆが約２０ｋＨｚ、最大振れ角約１０度とすると、回転軸から０．１ｍｍ離れたところで、約５０００Ｇをピークとする周期的な遠心力を得ることが可能となる。すなわち、本発明では、流路を有する微小なねじれバネに接続した小さな液室のねじれ振動を利用することにより、容易に高速の回転速度を得ることが可能となり、小さな構造で大型遠心分離器並みの遠心力を得ることができる効果がある。もちろん、電力等も少なくて済む効果もある。
【００２７】
図２は可動部２の裏面に配置される磁石の配置を示す図であり、直径２１１μｍ、長さ０．９８ｍｍの丸棒磁石を２本配置する。
【００２８】
図３は、本実施の形態の側面図の模式図であり、３１は薄膜状に形成したコイルであり、３２は軟磁性体、３３は３２と３１を形成する基板、３４はスペーサ、３５はコイルを駆動する電源である。
【００２９】
また、分離により慣性モーメントが変化し固有振動数が変化するが、駆動周波数を非分離時の固有周波数に合せておけば、振れ角の変化から分離の進行を検知できる効果がある。
【００３０】
また、固有振動の変化に応じて電源周波数を変化させれば、振動を維持することも可能であり、変化した周波数から分離の進行の度合いを検知できる効果がある。
【００３１】
（第２の実施の形態）
図４は第２の実施の形態の特徴を表す図である。本実施形態は、液室出力側の流路に分岐流路を４１−４３有することを除いて第１の実施の形態とほぼ同様である。
【００３２】
図４で４４−４６は流体出力部であり、９から血液などの比重の異なる粒子を含む混合流体を流すと、ねじれ型の回転運動をする液室３で遠心分離され、流れによって分岐流路４１−４３に達して分岐され、４４−４５に血球などの比重の大きい成分を多く含む流体が流れ、４６には血漿などの低比重の成分流体が流れる。
【００３３】
すなわち、分岐流路４１−４３を有することにより、混合流体を流し続けながら、比重の大きい成分を連続的に分離し回収できる効果がある。
【００３４】
（第３の実施の形態）
図５は第３の実施の形態の特徴を表す図である。
【００３５】
５１は基板であり、５２は屈曲型のバネ構造梁であるところの可動部、５３は可動部に位置する流体室、５４は第１の電極であるところのくし型電極、５５は第２の電極であるところのくし型電極である。本実施形態は、特に、前記非可動部が第１の電極５４を有し、前記可動部が前記第１の電極と対向する第２の電極５５を有し、第１の電極５４と第２の電極５５間の静電力を利用し、前記可動部に加速度を与え、流体の成分混合を行うことを特徴とする。
【００３６】
共振状態では、可動部の変位ｘは時間ｔに関してｘ＝ｘ０ｓｉｎωｔで記述される。ただし、ｘ０は最大変位である。この時、加速度ａはｄ２ｘ／ｄｔ２＝−ω２ｘとなる。すなわち、密度ρの流体は単位体積あたりρａ＝ρｖ２／ｒ＝−ρω２ｘ０ｓｉｎωｔなる力が働く。式からわかるようにこの力は時間に対して周期的に変動し、符号が入れ替わるため、密度の異なる流体成分があるとその拡散または混合が促進される。
【００３７】
図５において、５６、５７は流路５３とともにＹ字流路を形成する。５６に
血漿などのバイオ流体を流し、５７に抗原抗体反応により目的の分子のみを表面に付着できる磁性粒子などを含む流体を流す場合、もし、振動がなければ、マイクロスケールの流れ場は超低レイノルズ数（Ｒｅ＜＜１）であること、及び、粒子の大きさに起因してブラウン運動による拡散が期待しにくいことにより、混合が期待できない。本件は、可動部に設けた流路を流路に垂直な方向に周期的に可動させ、流路に垂直方向の加速度が符号を含めて周期的に変化させることにより、マイクロスケールの流れ場の中でも、大きさに起因してブラウン運動による拡散が期待しにくい粒子でも、効果的に混合できる効果がある。
【００３８】
（第４の実施の形態）
図６は第４の実施の形態の特徴を表す図である。
【００３９】
本実施形態は、特に特定方向に流れやすい流路６１−６２が前記流路５−６または液室３に接続されていることを除いて、第１の実施の形態とほぼ同様である。
【００４０】
ねじれによって、前記流路５−６または前記液室３の体積は微小な変化があるため、特定方向に流れやすい流路６１−６２が接続されていると、ねじれ振動によって、特定方向への実質的な流れが発生し、ポンプ機能を発生させられる効果がある。ここで、特定方向に流れやすい流路は、ある方向には弁が開き、逆方向には弁が閉じる弁素子を含む流路でもよい。
【００４１】
（第５の実施の形態）
図７は第５の実施の形態の特徴を表す図である。
【００４２】
図７において７１、７２は２つの可動軸を与えるねじりばねであり、本実施形態は、特に、可動軸が二軸以上または、可動の方向が二方向以上あり、角速度を所望の方向に制御することを特徴とする。角速度を所望の方向に制御できるため、必要に合せて分離や混合を行う多目的な使用が可能となり、マイクロスケールにおけるフラスコとしての機能を持たせることが可能となる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す概略図である。
【図２】第１の実施形態の磁石の配置を示す概略図である。
【図３】第１の実施形態の側面図を示す模式図である。
【図４】本発明の第２の実施形態を示す概略図である。
【図５】本発明の第３の実施形態を示す概略図である。
【図６】本発明の第４の実施形態を示す概略図である。
【図７】本発明の第５の実施形態を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  基板
２  可動部
３  液室
４ａ−４ｂ  ねじりバネ構造梁
５−６  流路
９  流体入力部
１０  流体出力部
１１  ねじれ回転
２１−２２  磁石
３１  コイル
３２  軟磁性体層
３４  スペーサ
３５  コイル駆動
４１−４３  分岐流路
４４−４５  流体出力部
５１  基板
５２  屈曲型のバネ構造梁可動部
５３  屈曲型のバネ構造梁可動部に設けられた流路
５４  可動部側くし型電極（第一の電極）
５５  非可動部側くし型電極（第二の電極）
５６−５７  Ｙ字型流路構成流路
６１−６２  特定方向に流れやすい流路
７１−７２  二軸型回転を与えるねじりバネ構造梁
【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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