(57)【要約】【課題】ヒータからの熱が基体に広がりヒータの外周部が低温になることでヒータの中心部と外周部との間に温度差が生じ、基体の反応部の温度を均一に制御できないため、反応を精密に制御することができないという問題点があった。【解決手段】マイクロ化学チップは、基体１１の上面に、被処理流体をそれぞれ供給する２つの供給部１３ａ，１３ｂと、供給部１３ａ，１３ｂにそれぞれ接続されるとともに途中で合流された流路１２と、流路１２の合流部よりも下流側の途中に設けられた反応部と、流路の下流の端部に設けられた採取部１５とが形成されているものであって、基体１１は、反応部の直下の内部にヒータ１９が設置されているとともに、ヒータ１９の直下の下面にヒータ１９よりも外形寸法が小さくヒータ１９の外形と相似形の放熱板２０が配置されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体の上面に、被処理流体をそれぞれ供給する複数の供給部と、該複数の供給部にそれぞれ接続されるとともに途中で合流された流路と、該流路の合流部よりも下流側の途中に設けられた反応部と、前記流路の下流の端部に設けられた採取部とが形成されているマイクロ化学チップであって、前記基体は、前記反応部の直下の内部にヒータが設置されているとともに、前記ヒータの直下の下面に前記ヒータよりも外形寸法が小さく前記ヒータの外形と相似形の放熱板が配置されていることを特徴とするマイクロ化学チップ。
【請求項２】
前記放熱板は、その平面視での面積が前記ヒータの平面視での面積の５０〜９０％であることを特徴とする請求項１記載のマイクロ化学チップ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基体上に形成された微小な流路を流通する基質や試薬などの被処理流体に対して、反応や分析などの予め定める処理を施すことのできるマイクロ化学チップに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、化学技術やバイオ技術の分野では、試料に対する反応や試料の分析などを微小な領域で行うための研究が行われており、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ；ＭＥＭＳ）技術を用いて化学反応や生化学反応、試料の分析などを行なうシステムを小型化したマイクロ化学システムが研究開発されている。
【０００３】
マイクロ化学システムにおける反応や分析は、マイクロ流路、マイクロポンプおよびマイクロリアクタなどが形成されたマイクロ化学チップと呼ばれる１つのチップを用いて行われる。たとえば、シリコン、ガラスまたは樹脂から成る１つの基体に、試料や試薬などの流体を供給するための供給口と、処理後の流体を導出するための採取口とを形成し、この供給口と採取口とを断面積が微小なマイクロ流路で接続し、マイクロ流路の適当な位置に送液のためのマイクロポンプを配置したマイクロ化学チップが提案されている（特許文献１および特許文献２参照）。また、送液の手段として、マイクロポンプに代えて、電気浸透現象を利用したキャピラリ泳動型のものも提案されている（特許文献３参照）。これらのマイクロ化学チップでは、マイクロ流路は所定の位置で合流または分岐しており、合流部で流体の混合が行われ、または分岐部で流体の分離が行われる。
【０００４】
マイクロ化学システムでは、従来のシステムに比べ、機器や各部の構成が微細化されているので、試料の単位体積あたりの反応表面積を増大させ、反応時間を大幅に削減することができる。また流量の精密な制御が可態であるので、反応や分析を効率的に行うことができる。さらに反応や分析に必要な試料や試薬の量を少なくすることができる。
【０００５】
このような利点を有することから、マイクロ化学システムの医療分野への応用が期待されている。たとえば、血液検査にマイクロ化学チップを用いることによって、検体である血液の量を少なくすることができるので、患者への負担を軽減することができる。また検査に必要な試薬の量を少なくすることができるので、検査の費用を下げることができる。
【０００６】
さらに医療分野では、マイクロ化学チップに半導体技術を組合せることが検討されている。たとえば、自宅や外出先の患者の血液を挨査し、その検査結果を医療機関に送信するためのデバイスとして、シリコンから成る１つの基体に、マイクロ流路、マイクロポンプおよびマイクロリアクタに加えて、血液を採取するための針、血液をろ過するためのろ過器および血液を分析するためのマイクロ分光器、マイクロプラズマ電源、集積回路、検出回路が搭載された「ヘルスケアデバイス」の概念が示されている（非特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２１４２４１号公報（第４−５頁，図１）
【０００８】
【特許文献２】
特開２００２−２３３７９２号公報（第５−６頁，図１，図３）
【０００９】
【特許文献３】
特開２００１−１０８６１９号公報（第５頁，図１，図２）
【００１０】
【非特許文献１】
「日経マイクロデバイス（ＮＩＫＫＥＩ  ＭＩＣＲＯＤＥＶＩＣＥＳ）２０００年７月号」，日経ＢＰ社，２０００年７月，ｐ．８８−９７
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなマイクロ化学チップにおいては、供給部から供給された被処理流体は反応部で予め定められた処理が施されるが、例えばその処理には所定の反応を発生させるために精密かつ均一な加熱が必要な場合があるが、加熱ために設けたヒータからの熱が基体に広がり、ヒータの中心部よりも外周部が低温になることで、ヒータの中心部と外周部との間で温度差が生じ、反応部の温度を均一にコントロールができないため、反応を精密に制御することができなかった。
【００１２】
従って、本発明は上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、ヒータの中心部と外周部との間の温度差を小さくして反応部の温度を均一にコントロールできるようにしたマイクロ化学チップを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のマイクロ化学チップは、基体の上面に、被処理流体をそれぞれ供給する複数の供給部と、該複数の供給部にそれぞれ接続されるとともに途中で合流された流路と、該流路の合流部よりも下流側の途中に設けられた反応部と、前記流路の下流の端部に設けられた採取部とが形成されているマイクロ化学チップであって、前記基体は、前記反応部の直下の内部にヒータが設置されているとともに、前記ヒータの直下の下面に前記ヒータよりも外形寸法が小さく前記ヒータの外形と相似形の放熱板が配置されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明のマイクロ化学チップは、基体は、反応部の直下の内部にヒータが設置されているとともに、ヒータの直下の下面にヒータよりも外形寸法が小さくヒータの外形と相似形の放熱板が配置されていることから、ヒータの中心部と外周部との温度差を小さくすることができ、その結果、反応部の温度を均一にかつ精密にコントロールできるものとなる。
【００１５】
本発明のマイクロ化学チップは、好ましくは前記放熱板は、その平面視での面積が前記ヒータの平面視での面積の５０〜９０％であることを特徴とする。
【００１６】
本発明のマイクロ化学チップは、好ましくは放熱板は、その平面視での面積が前記ヒータの平面視での面積の５０〜９０％であることから、ヒータの中心部と外周部との温度差をより小さくすることができ、その結果、反応部の温度をより均一にかつ精密にコントロールできるものとなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明のマイクロ化学チップについて以下に詳細に説明する。図１（ａ）は、本発明のマイクロ化学チップについて実施の形態の例を示し、マイクロ化学チップの基本構成の平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すマイクロ化学チップの切断面線Ｉ−Ｉ、ＩＩ−ＩＩおよびＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面構成を示す断面図である。なお、図１（ｂ）では、切断面線Ｉ−Ｉ、ＩＩ−ＩＩおよびＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面構成を並べて示す。
【００１８】
本発明のマイクロ化学チップは、セラミック材料等から成る基体１１を有し、基体１１の上面には、流路１２と、２つの供給部１３ａ，１３ｂと、処理部（反応部）１４と、採取部１５とが設けられる。供給部１３ａは、供給流路１７ａと、供給流路１７ａの端部に設けられる供給口１６ａと、供給流路１７ａの上方に設けられるマイクロポンプ１８ａとを含む。同様に、供給部１３ｂは、供給流路１７ｂと、供給流路１７ｂの端部に設けられる供給口１６ｂと、供給流路１７ｂの上方に設けられるマイクロポンプ１８ｂとを含む。供給口１６ａ，１６ｂは、外部から供給流路１７ａ，１７ｂに被処理流体を注入することができるように開口されている。また採取部１５は、流路１２から被処理流体を外部に取り出すことができるように開口で実現されている。
【００１９】
基体１１の内部であって、反応部としての処理部１４の流路１２の下方には、ヒータ１９が設けられる。処理部１４の流路１２は、ヒータ１９の上方を複数回数通過するように、葛折状等に折り返して形成される。基体１１の表面には、ヒータ１９と外部電源とを接続するための図示しない配線がヒータ１９から導出されている。この配線は、ヒータ１９よりも抵抗値の低い金属材料で形成される。
【００２０】
このマイクロ化学チップにおいては、２つの供給部１３ａ，１３ｂから流路１２に被処理流体をそれぞれ流入させて合流させ、処理部１４においてヒータ１９を用いて流路１２を所定の温度に加熱し、流入された２種類の被処理流体を反応させ、得られた反応生成物を採取部１５から導出させる。
【００２１】
本発明において、基体１１のヒータ１９の直下の下面にヒータ１９よりも外形寸法が小さくヒータ１９の外形と相似形の放熱板２０が配置されている。この放熱板２０は、処理部１４の温度分布を均一化させるためのものである。放熱板２０は、ヒータ１９よりも外形寸法が小さくヒータ１９の外形と相似形のものであることから、ヒータ１９の中心部の放熱性が高まり、ヒータ１９の中心部と外周部との温度差を効果的に小さくすることができる。その結果、処理部１４の温度分布を精度良く均一化させることができる。
【００２２】
また本発明において、放熱板２０は、その平面視での面積がヒータ１９の平面視での面積の５０〜９０％であることが好ましい。これにより、ヒータ１９の中心部と外周部との温度差をより小さくすることができ、その結果、反応部の温度をより均一にかつ精密にコントロールできるものとなる。放熱板２０の平面視での面積がヒータ１９の平面視での面積の５０％未満である場合、ヒータ１９の中心部の放熱性が低下して、ヒータ１９の中心部と外周部との温度差を小さくすることがむつかしくなる。放熱板２０の平面視での面積がヒータ１９の平面視での面積の９０％を超えると、ヒータ１９と同じ大きさの放熱板２０を設けた場合と同様となり、ヒータ１９の中心部と外周部との放熱性がほぼ同じになるため、熱が放散し易い外周部の温度が低下し易くなってヒータ１９の中心部と外周部との温度差を小さくすることがむつかしくなる。
【００２３】
また、放熱板２０は、図２に示すように、大きさの異なる放熱板２０ａ，２０ｂ，２０ｃを組み合わせて構成されていてもよい。例えば、放熱板２０ａ，２０ｂ，２０ｃはそれぞれ厚さ１．５ｍｍの銅板からなり、高熱伝導性のシリコーン樹脂（信越化学製「Ｇ７５０」等）で基体１１に接合される。放熱板２０は、ヒータ１９の中央部の直下に相当する部分に設けられた放熱板２０ａと、その周囲に設けられた２０ｂ，２０ｃとから形成されている。放熱板２０ａ，２０ｂ，２０ｃの面積は、放熱板２０ａ，放熱板２０ｂ，放熱板２０ｃの順で大きくなっており、これにより、ヒータ１９の中心部の放熱性を外周部の放熱性よりも高めることができ、処理部１４の温度を均一かつ精密にコントロールできるようになっている。
【００２４】
すなわち、図２の場合、四角形状のヒータ１９の中心部直下に位置する放熱性２０ａ、ヒータ１９の４辺部に位置する放熱板２０ｂ、ヒータ１９の４隅部に位置する放熱板２０ｃの順で大きくなっている。
【００２５】
また、図２の場合、放熱板２０ａ，２０ｂ，２０ｃの合計の面積が、ヒータ１９の面積の５０〜９０％であればよい。
【００２６】
たとえば、供給部１３ａから原料となる化合物を含む流体を流入させ、供給部１３ｂから試薬を含む流体を流入させ、処理部１４の流路１２をヒータ１９で加熱すれば、化合物の合成を行うことができ、得られた化合物を採取部１５から取り出すことができる。また、実施の形態の他の例として、採取部１５または採取部１５よりも披処理流体の流通方向上流側に検出部を設ければ、化学反応や抗原抗体反応、酵素反応などの生化学反応の反応物を検出することができる。
【００２７】
なお、使用後のマイクロ化学チップは、供給部１３ａ，１３ｂから洗浄液を流入させて洗浄すれば、再度使用することができる。
【００２８】
流路１２および供給流路１７ａ，１７ｂの断面積は、供給部１３ａ，１３ｂから流入される検体、試薬または洗浄液などを効率よく送液し混合するために、２．５×１０−３ｍｍ２以上１ｍｍ２以下であることが好ましい。流路１２および供給流路１７ａ，１７ｂの断面積が１ｍｍ２を超えると、送液される検体、試薬または洗浄液の量が多くなり過ぎるので、単位体積あたりの反応表面積を増大させ、反応時間を大幅に削減させるというマイクロ化学チップの効果を充分に得ることができない。また、流路１２および供給流路１７ａ，１７ｂの断面積が２．５×１０−３ｍｍ２未満であると、マイクロポンプ１８ａ，１８ｂによる圧力の損失が大きくなり、送液に問題が生じる。
【００２９】
また、流路１２および供給流路１７ａ，１７ｂの幅ｗは、５０〜１００００μｍであることが好ましく、より好ましくは１００〜５００μｍがよい。また、流路１２および供給流路１７ａ，１７ｂの深さｄは、５０〜１０００μｍであることが好ましく、より好ましくは１００〜５００μｍであって、上記断面積の範囲となるようにすればよい。そして、幅と深さの関孫は、短辺長／長辺長≧０．４が好ましく、より好ましくは短辺長／長辺長≧０．６である。短辺長／長辺長＜０．４では、圧力損失が大きくなり、送液に問題が生じる。
【００３０】
マイクロ化学チップの外形寸法は、たとえば、幅Ａが約４０ｍｍであり、奥行きＢが約７０ｍｍであり、高さＣが１〜２ｍｍであるが、これにかかわらず、必要に応じて適切な外形寸法とすればよい。
【００３１】
以上に述べたように、本実施の形態のマイクロ化学チップは、２つの供給部１３ａ，１３ｂを有するけれども、これに限定されることなく、３つ以上の供給部を有してもよい。
【００３２】
供給部が２つ以上設けられる場合、供給部の供給流路は、１点で合流するように設けられる必要はなく、流路１２の異なる位置に接続されるように設けられてもよい。またヒータ１９は、１箇所に設けられる構成であるけれども、これに限定されることなく、２箇所以上に設けられてもよい。このように、３つ以上の供給部を設け、ヒータを２箇所以上に設けることによって、複雑な反応を制御することができる。
【００３３】
また、本実施の形態では、送液手段として、マイクロポンプ１８ａ，１８ｂを設ける構成であるけれども、マイクロポンプ１８ａ，１８ｂを設けない構成も可能である。この場合には、供給口１６ａ，１６ｂから被処理流体を注入する際に、マイクロシリンジなどで被処理流体を押込むことによって、被処理流体を供給口１６ａ，１６ｂから採取口１５まで送液することができる。また注入する際に、外部に設けられるポンプなどで被処理流体に圧力を加えながら注入することによって送液することもできる。また供給口１６ａ，１６ｂから被処理流体を注入した後に、採取口１５からマイクロシリンジなどで吸引することによって送液することもできる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明のマイクロ化学チップは、基体は、反応部の直下の内部にヒータが設置されているとともに、ヒータの直下の下面にヒータよりも外形寸法が小さくヒータの外形と相似形の放熱板が配置されていることから、ヒータの中心部と外周部との温度差を小さくすることができ、その結果、反応部の温度を均一にかつ精密にコントロールできるものとなる。
【００３５】
本発明のマイクロ化学チップは、好ましくは放熱板は、その平面視での面積が前記ヒータの平面視での面積の５０〜９０％であることから、ヒータの中心部と外周部との温度差をより小さくすることができ、その結果、反応部の温度をより均一にかつ精密にコントロールできるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明のマイクロ化学チップの実施の形態の一例の構成を簡略化して示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すマイクロ化学チップの切断面線Ｉ−Ｉ、ＩＩ−ＩＩおよびＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面構成を示す断面図である。
【図２】本発明のマイクロ化学チップについて実施の形態の他の例を示し、放熱板の平面視形状を示す平面図である。
【符号の説明】
１１・・・基体
１２・・・流路
１３ａ，１３ｂ・・・供給部
１４・・・処理部
１５・・・採取部
１６ａ，１６ｂ・・・供給口
１７ａ，１７ｂ・・・供給流路
１８ａ，１８ｂ・・・マイクロポンプ
１９・・・ヒータ
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ・・・放熱板
【図１】
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【図２】
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