(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ流体デバイス内の流路に存在する液体を制御する液体制御装置であって、試料搬入口と試料搬出口と、これらに連通する流路とを有し、該流路を内部に有するマイクロ流体デバイスと、前記マイクロ流体デバイスの液体を停止させる停止の工程と、液体を送液させる送液の工程と、液体を混合攪拌する混合攪拌の工程と、液体内の試料を分離させるための前段階となる局在の工程と、を制御するための情報を発生する制御手段と、前記制御手段からの情報に応じて電圧信号を発生する信号発生部と、前記信号発生部からの電圧信号によって発振する超音波振動子と、前記超音波振動子をマイクロ流体デバイスの流路の一部と対向するように保持する保持部とを有し、前記超音波振動子の発振を保持部を介して流路に存在する液体に伝達して前記各工程を行うものであり、前記送液の工程は、前記マイクロ流体デバイスを保持した状態において該デバイスが共振する周波数を用いることを特徴とする液体制御装置。
【請求項２】
信号発生部は、電圧と位相、周波数が制御できる二相以上の正弦波を発生する信号発生器と、信号発生器が出力した信号を増幅する増幅器とを有することを特徴とする請求項１記載の液体制御装置。
【請求項３】
超音波振動子は、駆動源となる第一相の圧電素子と、第二相の圧電素子が貼り付けられた構造体を有することを特徴とする請求項１または２に記載の液体制御装置。
【請求項４】
制御手段は、工程の情報を出力するようにプログラムされた工程管理部と、工程管理部が出力した工程に基づき、停止モードと、送液モードと、混合攪拌モードと、局在モードを選択するモード選択部と、モード選択部によって選択された各モードに応じて超音波振動子の発振条件を決定する発振条件決定部とを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの項に記載の液体制御装置。
【請求項５】
停止モードは、信号発生部が電圧出力を下げる手段と、保持部でマイクロ流体デバイスを保持した状態の共振周波数から大きく外れた周波数に設定する手段の内、少なくともいずれかの手段を有することを特徴とする請求項４記載の液体制御装置。
【請求項６】
送液モードは、信号発生部が保持部でマイクロ流体デバイスを保持した状態の共振周波数に設定し、超音波振動子が進行波で発振するように二相の位相を制御する手段を有することを特徴とする請求項４記載の液体制御装置。
【請求項７】
混合攪拌モードは、信号発生部が保持部でマイクロ流体デバイスを保持した状態の共振周波数に設定し、送液モードでの発振振幅よりも小さくなるように、信号発生部は送液モードよりも小さな電圧に設定する手段と、信号発生部が保持部でマイクロ流体デバイスを保持した状態の共振周波数から外れた周波数に設定する手段との少なくともいずれかの手段を有することを特徴とする請求項４記載の液体制御装置。
【請求項８】
混合攪拌のモードは、信号発生部が保持部でマイクロ流体デバイスを保持した状態の共振周波数に設定し、信号発生部が進行波の方向を交互に切り替えるように、二相の位相差の符号を切り替える手段を有することを特徴とする請求項４記載の液体制御装置。
【請求項９】
局在のモードは、信号発生部が保持部でマイクロ流体デバイスを保持した状態の共振周波数に設定し、超音波振動子が定在波で発振するように、信号発生部が出力する二相の正弦波の内、時間位相を同じに設定する手段と、二相の正弦波のいずれかの出力をゼロにする手段との少なくともいずれかの手段を有することを特徴とする請求項４記載の液体制御装置。
【請求項１０】
前記マイクロ流体デバイスの流路の一部にバルブを設け、送液モードではバルブを開き、超音波振動子が進行波で発振するように二相の位相を制御する手段を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載の液体制御装置。
【請求項１１】
マイクロ流体デバイスの流路の一部にバルブを設け、混合攪拌モードではバルブを閉じ、超音波振動子が進行波で発振するように二相の位相を制御する手段を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載の液体制御装置。
【請求項１２】
マイクロ流体デバイスの流路の一部にバルブを設け、送液モードでは信号発生器信号から位相をずらして同期しながらバルブの開閉制御を行う手段を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載の液体制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロ流体デバイスを用いた液体制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ  ｅｌｅｃｔｒｏ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍｓ）分野の一つとして注目されている領域に、バイオや環境分析、化学合成がある。これらを行うためのデバイスとしてマイクロ流体デバイス、あるいはμＴＡＳ（ｍｉｃｒｏ  ｔｏｔａｌ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｓｙｓｔｅｍｓ）と呼ばれているものがある。これには、半導体やガラス、あるいはセラミックスやプラスチックなどの基板に流路を設け、その流路内に検体となる試料や試薬、あるいは化学合成の材料となる液体を流し、分析や化学合成を行うマイクロ流体デバイスが用いられる。従来の分析方法やバッチ処理に比べて、溶媒や試料、試薬などの消費を低減させ、さらに反応速度が速いといったマイクロスケールの特長を活かしたデバイスと、それを用いた装置システムの開発が期待されている。
【０００３】
本発明はその中でも特に、液体の送液、液体の混合攪拌、液体中の試料の分離に関するものである。
従来のマイクロ流体デバイスの送液、混合攪拌方法に超音波を用いるものがある（特許文献１）。
【０００４】
特許文献１は、図５で示すような断面構造としている。図５において、超音波プラットフォーム型マイクロ化学分析システム１００は、信号制御回路層１１１とトランスデューサ層１１２とからなる一枚の共通プラットフォーム１１３と、この共通プラットフォーム１１３上に構成された透明なフロー型マイクロチップ１１４とを有する構成からなる。また、このフロー型マイクロチップ１１４の内部には、試料や試薬を送液する流路１１５が形成されており、この流路１１５内の試料や試薬を送液、混合攪拌するための超音波トランスデューサ１１６が設けている。図５ではプラットフォーム型マイクロ化学分析システム１００の断面図を示したものなので、超音波トランスデューサ１１６は一次元に並べている。実際はマトリックス状に並べられている。そして、マトリックス状に配置された超音波トランスデューサ１１６の内、流路１１５に沿って駆動する送液用トランスデューサや流路１１５中央部分に混合攪拌用のトランスデューサを設け、それぞれの機能を果たしている。
【特許文献１】特開２００４−３４０８２０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、特許文献１では以下の課題があった。
特許文献１は超音波トランスデューサ１１６がマトリックス上に構成されており、送液や混合攪拌のために多くの超音波トランスデューサ１１６を要する。超音波トランスデューサ１１６はそれぞれ信号発生器や増幅器を介して発振のための信号が与えられ、超音波トランスデューサ１１６の数だけ信号発生器や増幅器が必要となる。そうすると、このプラットフォーム型マイクロ化学分析システム１００を処理するための装置システムが大型化し、高コストの可能性がある。
【０００６】
さらに、超音波トランスデューサ１１６は送液用トランスデューサや混合攪拌用トランスデューサを別々に設けており、そのため装置システムの大型化や高コストだけでなく、プラットフォーム型マイクロ化学分析システム１００自体のサイズも大きくなる可能性がある。
【０００７】
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、マイクロ流体デバイス内の流路に存在する液体を、二相の発振信号で送液、混合攪拌、液体中の試料を局在させることを可能にした、小型で安価な液体制御装置を提供することにある。
【０００８】
また、本発明は、マイクロ流体デバイス内の流路にバルブを設けることにより、液体の送液や混合攪拌の効率を向上させた液体制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決する液体制御装置は、マイクロ流体デバイス内の流路に存在する液体を制御する液体制御装置であって、試料搬入口と試料搬出口と、これらに連通する流路とを有し、該流路を内部に有するマイクロ流体デバイスと、前記マイクロ流体デバイスの液体を停止させる停止の工程と、液体を送液させる送液の工程と、液体を混合攪拌する混合攪拌の工程と、液体内の試料を分離させるための前段階となる局在の工程と、を制御するための情報を発生する制御手段と、前記制御手段からの情報に応じて電圧信号を発生する信号発生部と、前記信号発生部からの電圧信号によって発振する超音波振動子と、前記超音波振動子をマイクロ流体デバイスの流路の一部と対向するように保持する保持部とを有し、前記超音波振動子の発振を保持部を介して流路に存在する液体に伝達して前記各工程を行うものであり、前記送液の工程は、前記マイクロ流体デバイスを保持した状態において該デバイスが共振する周波数を用いることを特徴とする。
【００１０】
前記マイクロ流体デバイスの流路の一部にバルブを設けることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、マイクロ流体デバイス内の流路に存在する液体を、二相の発振信号で送液、混合攪拌、液体中の試料を局在させることを可能にした、小型で安価な液体制御装置を提供できる。
【００１２】
また、本発明は、マイクロ流体デバイス内の流路にバルブを設けることにより、液体の送液や混合攪拌の効率を向上させた液体制御装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明に係る液体制御装置は、マイクロ流体デバイス内の流路に存在する液体を制御する液体制御装置であって、流路に液体を有するマイクロ流体デバイスと、前記マイクロ流体デバイスの液体を停止させる停止の工程と、液体を送液させる送液の工程と、液体を混合攪拌する混合攪拌の工程と、液体内の試料を分離させるための前段階となる局在の工程の内、少なくとも二つの工程を制御するための情報を発生する制御手段と、前記制御手段からの情報に応じて電圧信号を発生する信号発生部と、前記信号発生部からの電圧信号によって発振する超音波振動子と、前記超音波振動子をマイクロ流体デバイスの流路の一部と対向するように保持する保持部とを有し、前記超音波振動子の発振を保持部を介して流路に存在する液体に伝達して前記各工程を行うことを特徴とする。
【００１４】
信号発生部は、電圧と位相、周波数が制御できる二相以上の正弦波を発生する信号発生器と、信号発生器が出力した信号を増幅する増幅器とを有することが好ましい。
超音波振動子は、駆動源となる第一相の圧電素子と、第二相の圧電素子が貼り付けられた構造体を有することが好ましい。
【００１５】
制御手段は、工程の情報を出力するようにプログラムされた工程管理部と、工程管理部が出力した工程に基づき、停止モードと、送液モードと、混合攪拌モードと、局在モードを選択するモード選択部と、モード選択部によって選択された各モードに応じて超音波振動子の発振条件を決定する発振条件決定部とを有することが好ましい。
【００１６】
停止モードは、信号発生部が電圧出力を下げる手段と、保持部でマイクロ流体デバイスを保持した状態の共振周波数から大きく外れた周波数に設定する手段の内、少なくともいずれかの手段を有することが好ましい。
【００１７】
送液モードは、信号発生部が保持部でマイクロ流体デバイスを保持した状態の共振周波数に設定し、超音波振動子が進行波で発振するように二相の位相を制御する手段を有することが好ましい。
【００１８】
混合攪拌モードは、信号発生部が保持部でマイクロ流体デバイスを保持した状態の共振周波数に設定し、送液モードでの発振振幅よりも小さくなるように、信号発生部は送液モードよりも小さな電圧に設定する手段と、信号発生部が保持部でマイクロ流体デバイスを保持した状態の共振周波数から外れた周波数に設定する手段との少なくともいずれかの手段を有することが好ましい。
【００１９】
混合攪拌のモードは、信号発生部が保持部でマイクロ流体デバイスを保持した状態の共振周波数に設定し、信号発生部が進行波の方向を交互に切り替えるように、二相の位相差の符号を切り替える手段を有することが好ましい。
【００２０】
局在のモードは、信号発生部が保持部でマイクロ流体デバイスを保持した状態の共振周波数に設定し、超音波振動子が定在波で発振するように、信号発生部が出力する二相の正弦波の内、時間位相を同じに設定する手段と、二相の正弦波のいずれかの出力をゼロにする手段との少なくともいずれかの手段を有することが好ましい。
【００２１】
前記マイクロ流体デバイスの流路の一部にバルブを設け、送液モードではバルブを開き、超音波振動子が進行波で発振するように二相の位相を制御する手段を有することが好ましい。
【００２２】
マイクロ流体デバイスの流路の一部にバルブを設け、混合攪拌モードではバルブを閉じ、超音波振動子が進行波で発振するように二相の位相を制御する手段を有することが好ましい。
【００２３】
マイクロ流体デバイスの流路の一部にバルブを設け、送液モードでは信号発生器信号から位相をずらして同期しながらバルブの開閉制御を行う手段を有することが好ましい。
本発明において、試料には、例えば遺伝子検査を行なう場合はＤＮＡを含有した液体サンプルが用いられ、また河川の汚染を調査したい場合は河川から取得した液体サンプルが用いられる。本発明による液体制御装置によって搬送できないほどの極度に粘性が高い液体でない限り、特に用いられる試料に制限はない。
【００２４】
なお、「モード」の語は、本発明における液体制御装置の機能や動作を分類するために用いられ、送液モード、混合攪拌モード、送液モードなどと表記される。
本発明においては、二相の発振信号で液体を送液、混合攪拌、液体中の試料を局在させることができるため、装置全体を小型化し、コストを抑えることが可能となる。また、マイクロ流体デバイスの流路内で液体を送液、混合攪拌、液体中の試料を局在させることができるので、マイクロ流体デバイスの小型化も可能となる。
【実施例】
【００２５】
以下、本発明の液体制御装置を実施例により説明する。
実施例１
本発明の実施例１を、図１を用いて説明する。
【００２６】
図１は本発明の液体制御装置の一実施例を示す概略図である。図１において、１はマイクロ流体デバイスである。マイクロ流体デバイス１には流路２が設けられている。この流路２は試料や試薬などの送液や混合攪拌、溶液中の試料の分離などを行うものである。３は超音波振動子となる超音波ステータで、例えば超音波モータのステータを用いる。そして、４は信号発生器、５は増幅器で、超音波ステータ３を発振させるため、信号発生器４で発生した信号を増幅器５で増幅して超音波ステータ３に電圧信号を与える。そして、超音波ステータ３にはマイクロ流体デバイス１の流路の一部が超音波ステータ３と対向するように保持するための保持部７が備わっている。
【００２７】
通常、信号発生器４は超音波ステータ３が保持部６でマイクロ流体デバイス１を保持した状態において共振する周波数で正弦波波形を出力し、その信号を増幅器５で増幅して超音波ステータ３を発振させる。また、超音波ステータ３は圧電素子からなる二相の発振源が構造体に備わり、信号発生器４は２チャンネル同じ周波数で正弦波波形を出力し、それぞれのチャンネルの信号を増幅器５（第一の増幅器５ａと第二の増幅器５ｂ）で増幅する。このとき、超音波ステータ３を定在波に発振させる場合、信号発生器４の２チャンネルの内、少なくともいずれかの信号だけ正弦波波形を出力するか、もしくは２チャンネルの正弦波波形を時間的に同位相、同周波数にすれば良い。そして、超音波ステータ３を進行波に発振させる場合、２チャンネルの正弦波波形を同周波数にして、位相差与える。例えばその位相差は９０°とする。これらの切り替え制御を行うのが制御手段６である。
【００２８】
制御手段６は液体を停止させる停止のモードと、送液のモードと、混合攪拌のモードと、反応対象とする試料を抽出、分離するための前段階となる局在のモードの四種類のモード選択を行う。
【００２９】
停止のモードでは、超音波ステータ３の発振を停止させる。このとき、信号発生器４または増幅器５のいずれか一方の出力をゼロにする。または信号発生器４の出力を下げる方法でも有効である。あるいは、保持部７でマイクロ流体デバイス１を保持した状態の共振周波数から大きく外れた周波数に設定しても良い。
【００３０】
送液のモードでは、超音波ステータ３を進行波で発振させる。また、流路２内の液体は進行波方向に送液されるので、進行波は液体を流す方向に発振させるよう二相の位相差を調整する。また、超音波ステータ３の発振の振幅を決める入力電圧は、流路２内の液体にキャビテーションを発生させない範囲で高い電圧を入力することが好ましい。さらに、周波数は保持部７でマイクロ流体デバイス１を保持した状態で共振する周波数であることが好ましい。
【００３１】
混合攪拌のモードでは、超音波ステータ３を進行波で発振させる。ただし、入力電圧は送液のモードでの入力電圧よりも低くして、送液量を少なくすることが好ましい。このときの周波数は送液のモードと同じよう、保持部７でマイクロ流体デバイス１を保持した状態で共振する周波数であることが好ましい。または送液のモードでの入力電圧と同じにし、保持部７でマイクロ流体デバイス１を保持した状態で共振する周波数から外れた周波数で発振させても良い。いずれの方法にせよ、超音波ステータ３は送液のモードよりも小さな振幅で発振する。さらにあるいは、送液のモードと同じ振幅にして、進行波の方向を交互に短いサイクルで切り替えても良い。具体的には、２チャンネルの位相差の符号を切り替える。例えば、位相差を９０°と−９０°に交互に切り替える。
【００３２】
最後に、局在のモードでは、超音波ステータ３を定在波で発振させる。この時の周波数も。保持部７でマイクロ流体デバイス１を保持した状態で共振する周波数であることが好ましい。そうすると、反応対象とする試料は定在波の節に集まり、局在させることができる。
【００３３】
次に、図２を用いて、各モードを選択してから信号を出力するまでの工程を詳しく説明する。図２は、実施例１の各工程のフローを説明する説明図である。
図２において、７ａは工程管理部である。工程管理部７ａは化学、生化学における処理の各工程を適切な処理で行うようにプログラムされている。この場合の処理とは、例えば試料を注入することや、あらかじめマイクロ流体デバイス１に入れられた試薬と混合させること。さらに特定の試料のみ抽出、精製すること。また、反応や検出を行うこと。あるいは化学構成を行うことがある。７ｂはモード選択部である。モード選択部７ｂは工程管理部７ａから行う工程の情報に応じて、液体の停止のモードと、送液のモードと、混合攪拌のモードと、局在のモードの四種類のモード選択を行う。そして、発振条件決定部７ｃは超音波ステータ３の発振条件を決定し、信号発生器４に発振条件情報、すなわち発振停止や進行波、定在波の発振条件の情報を与える。発振条件情報に応じて、信号発生器４は信号を出力し、増幅器５でその信号を増幅して超音波ステータ３を発振あるいは停止させる。
【００３４】
以上、実施例１ではマイクロ流体デバイス１の流路２内の液体を送液、混合攪拌、液体中の試料を局在させる方法と、これらを制御する制御手段６について説明した。さらに、２チャンネルの発振信号で液体を送液、混合攪拌、液体中の試料を局在させることを説明した。このように本実施例では、装置システム全体を小型化し、コストを抑えることを可能としている。また、マイクロ流体デバイス１の流路２内で液体を送液、混合攪拌、液体中の試料を局在させることができるので、マイクロ流体デバイス１の小型化も可能としている。
【００３５】
実施例２
実施例１では、混合攪拌モードは、送液のモードよりも小さな振幅で、すなわち低い電圧で超音波ステータ３を進行波に発振させる方法について説明した。このとき、低い電圧であるものの超音波ステータ３を進行波に発振させるため、わずかでも送液してしまう。実施例２では流路２内にバルブを設ける構成と、制御方法について説明する。
【００３６】
図３において、８はバルブである。バルブ８は流路２内の試料搬入口側と試料搬出口側の少なくともいずれか一方に設ける。
そして、不図示の制御手段によって停止のモードと、送液のモードと、混合攪拌のモードと、反応対象とする試料を抽出、分離するための前段階となる局在のモードの四種類のモード選択を行う。ここでは実施例１と異なる部分のみを説明する。
【００３７】
送液のモードでは、バルブ８をオープンにし、超音波ステータを試料搬入口方向から試料搬出口方向へ進行波に発振させる。
混合攪拌のモードでは、バルブ８を閉じ、超音波ステータを進行波に発振させる。進行波の向きは任意である。さらに、入力電圧は送液のモードと同じでも良い。送液のモードも混合攪拌のモードも周波数は、保持部７でマイクロ流体デバイス１を保持した状態で共振する周波数であることが好ましい。
【００３８】
そして停止のモードと、局在のモードは、実施例１と同様であり、また、バルブ８の開閉状態は任意とする。
以上、ここではマイクロ流体デバイス１内のバルブ８動作について説明した。このように、実施例２によれば、混合攪拌のモードにおいて、バルブ８を閉じるので、送液することなく流路２内での混合攪拌の効率が向上する。
【００３９】
実施例３
実施例１と実施例２では送液のモードにおいて、送液方向に超音波ステータを進行波に発振させる方法について説明した。この場合、超音波ステータの発振に伴い流路２内の液体は進行波方向に流れるが、実際の流体の振る舞いは、図４のように、進行波方向に流れ、逆に戻り、再び進行波方向に流れるというように、振動的であり、平均化すると、ゆっくり流れる。したがって、実施例３では、図３のバルブ８の開閉制御を積極的に行う。すなわち、試料搬入口側から試料搬出口側へ流れるタイミングと同期してバルブ８をオープンにし、試料搬出口側から試料搬入口側へ流れるタイミングと同期してバルブ８をクローズさせる。さらにわかりやすく説明すると、バルブ８の制御は信号発生器の信号から位相をずらして同期させる。
【００４０】
以上のように、実施例３によれば、送液のモードにおいて、バルブ８動作を行い送液の効率を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の液体制御装置は、マイクロ流体デバイス内の流路に存在する液体を、二相の発振信号で送液、混合攪拌、液体中の試料を局在させることが可能なので、μＴＡＳなど精密な液体移動制御を必要とする装置に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の液体制御装置の一実施例を示す概略図である。
【図２】本発明の実施例１の各工程のフローを説明する説明図である。
【図３】実施例２と実施例３で説明するマイクロ流体デバイスの説明図である。
【図４】送液における流速の時間履歴を説明する説明図である。
【図５】従来のマイクロ流体デバイスの送液、混合攪拌方法に超音波を用いる方法を説明する説明図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  マイクロ流体デバイス
２  流路
３  超音波ステータ
４  信号発生器
５ａ，５ｂ  増幅器
６  制御手段
７  保持部
８ａ，８ｂ  バルブ
【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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