(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫通中空部を有する外殻と、該中空部の内部に、該中空部を上下に２分するように配置された、プラス電極とマイナス電極の間に間挿された多孔質膜とからなり、前記多孔質膜を通る電気浸透流効果を利用した微小流量用マイクロポンプにおいて、
前記多孔質膜により２分された中空部の下部空間に連通する液体充填用バイパス流路が配設されており、かつ、前記下部空間から大気に連通する空気抜き流路が配設されていることを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項２】
前記下部空間の内側に開口した前記空気抜き流路の入口の前記下部空間の底面からの高さが、前記下部空間の内側に開口した前記バイパス流路の出口の前記下部空間の底面からの高さ以上であることを特徴とする請求項１記載のマイクロポンプ。
【請求項３】
前記バイパス流路は、前記外殻の外部か又は外殻の壁内に形成され、前記空気抜き流路は前記外殻の外部か又は外殻の壁内に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロポンプ。
【請求項４】
前記外殻の外部に形成される前記バイパス流路は、前記外殻の下部空間に貫通して配設されたバイパス流路出口となる第２の穴と、下側端が該第２の穴に連通する第１の溝と、前記第２の穴及び前記第１の溝を遮蔽する第１の遮蔽シートとから構成されており、前記第１の溝は、前記外殻の外壁面上か、又は前記第１の遮蔽シートの接着面側の何れかに形成されており、前記第１の溝の上側端は、外殻の上部空間に貫通して配設され、かつ前記第１の遮蔽シートにより遮蔽される第１の穴に連通するか、又は、前記第１の遮蔽シートの上端で大気に連通しており、
前記外殻の外部に形成される前記空気抜き流路は、前記外殻の下部空間に貫通して配設された空気抜き流路入口となる第３の穴と、下側端が該第３の穴に連通する第２の溝と、前記第３の穴及び前記第２の溝を遮蔽する第２の遮蔽シートとから構成されており、前記第２の溝は、前記外殻の外壁面上か、又は前記第２の遮蔽シートの接着面側の何れかに形成されており、前記第２の溝の上側端は、外殻の上部空間に貫通して配設され、かつ前記第２の遮蔽シートにより遮蔽される第４の穴に連通するか、又は、前記第２の遮蔽シートの上端で大気に連通しており、
前記第３の穴の前記下部空間の底面からの高さは、前記第２の穴の前記下部空間の底面からの高さ以上であり、
前記第１の溝が前記第１の穴に連通し、前記第２の溝が前記第４の穴に連通する場合、下部空間底面からの第１の穴の位置は下部空間底面からの第４の穴の位置よりも低いことを特徴とする請求項３記載のマイクロポンプ。
【請求項５】
前記外殻の壁内に形成される前記バイパス流路は、前記外殻の下部空間に配設されたバイパス流路出口となる第２の穴と、第１の溝とからなり、前記第１の溝の下側端は該第２の穴に連通しており、前記第１の溝の上側端は、前記外殻の上端面上で大気に連通するか、又は、前記外殻の上部空間内側に向かって開口するか若しくは前記外殻の外側に向かって開口する第１の穴に連通しており、
前記外殻の壁内に形成される前記空気抜き流路は、前記外殻の下部空間に配設された空気抜き流路入口となる第３の穴と、第２の溝とからなり、前記第２の溝の下側端は該第３の穴に連通しており、前記第２の溝の上側端は、前記外殻の上端面上で大気に連通するか、又は、前記外殻の上部空間内側に向かって開口するか若しくは前記外殻の外側に向かって開口する第４の穴に連通しており、
前記第３の穴の前記下部空間の底面からの高さは、前記第２の穴の前記下部空間の底面からの高さ以上であり、
前記第１の溝が前記外殻の上部空間内側に向かって開口する前記第１の穴に連通し、前記第２の溝が前記外殻の上部空間内側に向かって開口する前記第４の穴に連通する場合、下部空間底面からの第１の穴の位置は下部空間底面からの第４の穴の位置よりも低いことを特徴とする請求項３記載のマイクロポンプ。
【請求項６】
前記下部空間の内側に開口した前記空気抜き流路の入口（第３の穴）の内径が、前記下部空間の内側に開口した前記バイパス流路の出口（第２の穴）の内径よりも大きいことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のマイクロポンプ。
【請求項７】
前記第１の溝及び第２の溝の形状は、直線状及び蛇行状からなる群から選択される何れかの形状であることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のマイクロポンプ。
【請求項８】
前記外殻がポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）又はガラスから形成されており、前記第１の遮蔽シート及び第２の遮蔽シートがＰＤＭＳから形成されていることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載のマイクロポンプ。
【請求項９】
前記外殻の下部空間の端部付近に、前記下部空間を閉塞する隔膜を更に有することを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載のマイクロポンプ。
【請求項１０】
貫通中空部を有する外殻と、該中空部の内部に、該中空部を上下に２分するように配置された、プラス電極とマイナス電極の間に間挿された多孔質膜とからなり、前記多孔質膜を通る電気浸透流効果を利用した微小流量用マイクロポンプにおいて、
前記多孔質膜により２分された中空部の上部空間の端部付近に前記上部空間を密封する隔膜を有し、かつ、多孔質膜により２分された中空部の下部空間の端部付近に前記下部空間を密封する隔膜を有し、前記密封された上部空間及び下部空間内にはそれぞれ所定量の駆動液が充填されていることを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項１１】
１個以上の大気に向かって開口したポートと、該ポートに連通する微細流路を有するポリジメチルシロキサン製基板と、該ポリジメチルシロキサン製基板の微細流路形成面に貼り合わされる対面基板とからなるマイクロ流体チップにおいて、
前記ポートのうちの少なくとも１個のポートの開口上面に、請求項１〜１０の何れかに記載のマイクロポンプを着脱可能に載置したことを特徴とするマイクロ流体チップ。
【請求項１２】
前記開口ポートが形成されている基板に、前記開口ポート内に試料溶液を補給するための試料溶液補給路と、前記開口ポート内の空気を抜くための空気抜き路が更に形成されていることを特徴とする請求項１１に記載のマイクロ流体チップ。
【請求項１３】
前記試料溶液補給路には、開閉弁と、試料溶液タンクから前記ポート内に試料溶液を送液する補給ポンプとが設けられ、試料溶液補給時に、前記開閉弁と前記補給ポンプとを操作する制御装置が更に設けられていることを特徴とする請求項１２記載のマイクロ流体チップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は微小流量用マイクロポンプ及び該ポンプを使用するマイクロ流体チップに関する。更に詳細には、本発明は、操作性に優れた微小流量用マイクロポンプ及び該ポンプを着脱可能に配設することができるマイクロ流体チップに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、マイクロ・トータル・アナリシス・システムズ（μＴＡＳ）又はラブ・オン・チップ(Lab-on-Chip)などの名称で知られるように、基板内にマイクロチャネルや反応容器及びポートなどの微細構造を設け、該微細構造内で物質の化学反応、合成、精製、抽出、生成及び／又は分析など各種の操作を行うように構成されたマイクロデバイスが提案され、一部実用化されている。このような目的のために製作された、基板内にマイクロチャネル、ポート及び反応容器などの微細構造を有する構造物は総称して「マイクロ流体チップ」又は単に「マイクロチップ」と呼ばれる。マイクロ流体チップの材質や構造及び製造方法は例えば、特許文献１及び特許文献２などに開示されている。【０００３】
マイクロ流体チップ内のマイクロチャネルや反応容器では流体（主に薬液やサンプル等の液体）を扱うが、その為には流体の流れや移送を制御する機能が必要になる。特にマイクロ流体チップに内蔵した小さな機能部品は流体制御素子と呼ばれる。流体制御素子として一般的なものはマイクロバルブやマイクロポンプなどである。【０００４】
マイクロ流体チップにおいて使用されるマイクロポンプの一例は特許文献３に記載されている。このマイクロポンプは、微小領域を通る電気的効果による膜通過流れを利用した微小流量用マイクロポンプである。図１９に示されるように、特許文献３のマイクロポンプ２００は、マイクロ流体チップ１の上面に載置されて使用されることがある。マイクロ流体チップ１におけるＰＤＭＳ基板３には微細流路５とこの微細流路に連通したポート７及び９が形成されている。ＰＤＭＳ基板３の下面側には例えば、ガラス製の対面基板１０が恒久接着されている。ポート７の上面に、マイクロポンプ１００が載置されている。マイクロポンブ２００は外殻２０３と、この外殻２０３に内蔵されたプラス電極２０５及びマイナス電極２０７とこの電極間に間挿された多孔質膜２０９とからなる。プラス電極２０５の上部は液体貯留空間２１１が形成されており、この液体貯留空間２１１内に液体を給送するためのチューブ２１３が適当な接着剤により固設されている。【０００５】
図２０は、図１９に示されるプラス電極２０５及びマイナス電極２０７とこの電極間に間挿された多孔質膜２０９の分解斜視図である。多孔質膜２０９は実際には支持体２１７により支持されている。プラス電極２０５及びマイナス電極２０７にはそれぞれ円形の開口部２１９及び２２１が配設されている。この円形の開口部２１９及び２２１は、支持体２１７の円形の開口部すなわち多孔質膜２０９が流れに面する円形の領域と実質的に同じ半径を有し、全ての中心が同じ軸線上に位置している。【０００６】
多孔質膜２０９前後の電極２０５，２０７間に直流数Ｖ〜数十Ｖ（例えば、５Ｖ〜１５Ｖ）の電圧を印加すると、液体はプラス電極２０５側からマイナス電極２０７側に向かって流れる。従って、液体貯留空間２１１内の液体は多孔質膜を透過してポート７内に押し出される。この多孔質膜ポンプによる流量は０．０２ｍｍ３／ｓ〜０．１４ｍｍ３／ｓの範囲内で変化させることができる。流量は印加電圧に概ね比例する。このようなマイクロポンプを使用することの利点は、脈流が発生しないことである。【０００７】
図２１は、図１９に示されるような従来のマイクロポンブ２００の或る使用例を示す部分概要断面図である。従来のマイクロポンプ２００は、チューブ２１３から液体貯留空間２１１内に供給された駆動液２２３を用いて、ポート７内に予め充填されている別の試料液体２２５を微細流路５に押し出して送液する目的で使用されることがある。この場合、マイナス電極２０７の下部に存在するポート７との間の空間２１５内に駆動液２２３が満たされなければ、ポート７内の試料液体を微細流路５に押し出して送液することができない。空間２１５の容積にもよるが、前記のように多孔質膜ポンプによる流量は０．１μＬ／ｓ〜１００μＬ／ｓ程度なので、空間２１５に駆動液２２３を満たすにはかなりの時間を要し、これが原因で分析作業の遅延を来すことがあった。【０００８】
【特許文献１】特開２０００−２７８１３号公報
【特許文献２】特開２００１−１５７８５５号公報
【特許文献３】国際公開第２００５／０５２３７９号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、本発明の目的は、微小領域を通る電気的効果による膜通過流れを利用した微小流量用マイクロポンプの操作性を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するための手段としての請求項１の発明は、貫通中空部を有する外殻と、該中空部の内部に、該中空部を上下に２分するように配置された、プラス電極とマイナス電極の間に間挿された多孔質膜とからなり、前記多孔質膜を通る電気浸透流効果を利用した微小流量用マイクロポンプにおいて、
前記多孔質膜により２分された中空部の下部空間に連通する液体充填用バイパス流路が配設されており、かつ、前記下部空間から大気に連通する空気抜き流路が配設されていることを特徴とするマイクロポンプを提供する。【００１１】
この発明によれば、前記マイクロポンプの外殻の多孔質膜により２分された中空部の下部空間に連通する液体充填用バイパス流路を介して駆動液などの液体類を迅速に下部空間内に充填することができる。この際、下部空間内の空気は空気抜き流路を経て大気に抜けていくので、駆動液などの液体類を下部空間に満たす際の障害にはならない。その結果、極めて短時間のうちに下部空間に駆動液などの液体類を充填することが可能となり、従来のマイクロポンプのように電圧を印加して長時間かけて下部空間に駆動液などの液体類を満たしていた緩慢で冗長な操作は不要になるので、マイクロポンプの操作性又は使い勝手が飛躍的に改善できる。【００１２】
前記課題を解決するための手段としての請求項２の発明は、前記下部空間の内側に開口した前記空気抜き流路の入口の前記下部空間の底面からの高さが、前記下部空間の内側に開口した前記バイパス流路の出口の前記下部空間の底面からの高さ以上であることを特徴とする請求項１記載のマイクロポンプを提供する。【００１３】
この発明によれば、液体充填用バイパス流路の下部空間出口の高さが空気抜き流路の下部空間入口の高さと同じか又はそれよりも高いので、下部空間内の空気を確実に空気抜き流路に誘導することができる。【００１４】
前記課題を解決するための手段としての請求項３の発明は、前記バイパス流路は、前記外殻の外部か又は外殻の壁内に形成され、前記空気抜き流路は前記外殻の外部か又は外殻の壁内に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロポンプを提供する。【００１５】
この発明によれば、バイパス流路を外殻の外部か又は外殻の壁内に形成し、空気抜き流路も外殻の外部か又は外殻の壁内に形成することができるので、都合の良い組合せを選択することができる。【００１６】
前記課題を解決するための手段としての請求項４の発明は、前記外殻の外部に形成される前記バイパス流路は、前記外殻の下部空間に貫通して配設されたバイパス流路出口となる第２の穴と、下側端が該第２の穴に連通する第１の溝と、前記第２の穴及び前記第１の溝を遮蔽する第１の遮蔽シートとから構成されており、前記第１の溝は、前記外殻の外壁面上か、又は前記第１の遮蔽シートの接着面側の何れかに形成されており、前記第１の溝の上側端は、外殻の上部空間に貫通して配設され、かつ前記第１の遮蔽シートにより遮蔽される第１の穴に連通するか、又は、前記第１の遮蔽シートの上端で大気に連通しており、
前記外殻の外部に形成される前記空気抜き流路は、前記外殻の下部空間に貫通して配設された空気抜き流路入口となる第３の穴と、下側端が該第３の穴に連通する第２の溝と、前記第３の穴及び前記第２の溝を遮蔽する第２の遮蔽シートとから構成されており、前記第２の溝は、前記外殻の外壁面上か、又は前記第２の遮蔽シートの接着面側の何れかに形成されており、前記第２の溝の上側端は、外殻の上部空間に貫通して配設され、かつ前記第２の遮蔽シートにより遮蔽される第４の穴に連通するか、又は、前記第２の遮蔽シートの上端で大気に連通しており、
前記第３の穴の前記下部空間の底面からの高さは、前記第２の穴の前記下部空間の底面からの高さ以上であり、
前記第１の溝が前記第１の穴に連通し、前記第２の溝が前記第４の穴に連通する場合、下部空間底面からの第１の穴の位置は下部空間底面からの第４の穴の位置よりも低いことを特徴とする請求項３記載のマイクロポンプを提供する。【００１７】
この発明によれば、バイパス流路又は空気抜き流路を様々な態様で外殻の外部に形成することができるので、都合の良い態様を適宜選択することができる。【００１８】
前記課題を解決するための手段としての請求項５の発明は、前記外殻の壁内に形成される前記バイパス流路は、前記外殻の下部空間に配設されたバイパス流路出口となる第２の穴と、第１の溝とからなり、前記第１の溝の下側端は該第２の穴に連通しており、前記第１の溝の上側端は、前記外殻の上端面上で大気に連通するか、又は、前記外殻の上部空間内側に向かって開口するか若しくは前記外殻の外側に向かって開口する第１の穴に連通しており、
前記外殻の壁内に形成される前記空気抜き流路は、前記外殻の下部空間に配設された空気抜き流路入口となる第３の穴と、第２の溝とからなり、前記第２の溝の下側端は該第３の穴に連通しており、前記第２の溝の上側端は、前記外殻の上端面上で大気に連通するか、又は、前記外殻の上部空間内側に向かって開口するか若しくは前記外殻の外側に向かって開口する第４の穴に連通しており、
前記第３の穴の前記下部空間の底面からの高さは、前記第２の穴の前記下部空間の底面からの高さ以上であり、
前記第１の溝が前記外殻の上部空間内側に向かって開口する前記第１の穴に連通し、前記第２の溝が前記外殻の上部空間内側に向かって開口する前記第４の穴に連通する場合、下部空間底面からの第１の穴の位置は下部空間底面からの第４の穴の位置よりも低いことを特徴とする請求項３記載のマイクロポンプを提供する。【００１９】
この発明によれば、バイパス流路又は空気抜き流路を様々な態様で外殻の壁内に形成することができるので、都合の良い態様を適宜選択することができる。【００２０】
前記課題を解決するための手段としての請求項６の発明は、前記下部空間の内側に開口した前記空気抜き流路の入口（第３の穴）の内径が、前記下部空間の内側に開口した前記バイパス流路の出口（第２の穴）の内径よりも大きいことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のマイクロポンプを提供する。【００２１】
この発明によれば、空気抜き流路の入口（第３の穴）の内径が、バイパス流路の出口（第２の穴）の内径よりも大きいので、気泡は空気抜き流路の入口（第３の穴）に滞積することなく、スムーズに大気に逃がされる。【００２２】
前記課題を解決するための手段としての請求項７の発明は、前記第１の溝及び第２の溝の形状は、直線状及び蛇行状からなる群から選択される何れかの形状であることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のマイクロポンプを提供する。【００２３】
この発明によれば、溝の形状として、直線状又は蛇行状の適宜都合の良い形状を選択でき、特に蛇行状形状の場合、溝全体の距離が長くなるので圧力損失を制御することが可能になるという利点を有する。【００２４】
前記課題を解決するための手段としての請求項８の発明は、前記外殻がポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）又はガラスから形成されており、前記第１の遮蔽シート及び第２の遮蔽シートがＰＤＭＳから形成されていることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載のマイクロポンプを提供する。【００２５】
この発明によれば、外殻をＰＤＭＳ又はガラスから形成することにより、ＰＤＭＳ製遮蔽シートを外殻の外壁面に自己吸着させることが可能になる。【００２６】
前記課題を解決するための手段としての請求項９の発明は、前記外殻の下部空間の端部付近に、前記下部空間を閉塞する隔膜を更に有することを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載のマイクロポンプを提供する。【００２７】
この発明によれば、駆動液と試料液体とが明瞭な界面を形成できず、互いに混じり合ってしまうような場合、従来は駆動液と試料液体との間に緩衝液を介在させていたが、緩衝液を使用することなく、隔膜を介して電気浸透流の駆動力を試料液体に伝達することができる。その結果、緩衝液の使用に伴う様々な問題点を全て解決できる。【００２８】
前記課題を解決するための手段としての請求項１０の発明は、貫通中空部を有する外殻と、該中空部の内部に、該中空部を上下に２分するように配置された、プラス電極とマイナス電極の間に間挿された多孔質膜とからなり、前記多孔質膜を通る電気浸透流効果を利用した微小流量用マイクロポンプにおいて、
前記多孔質膜により２分された中空部の上部空間の端部付近に前記上部空間を密封する隔膜を有し、かつ、多孔質膜により２分された中空部の下部空間の端部付近に前記下部空間を密封する隔膜を有し、前記密封された上部空間及び下部空間内にはそれぞれ所定量の駆動液が充填されていることを特徴とするマイクロポンプを提供する。【００２９】
この発明によれば、駆動液は上部空間及び下部空間にそれぞれ密封充填されている。電極間に電圧を印加して、多量の駆動液を有する上部空間内の駆動液を少量の駆動液を有する下部空間に移動させて試料溶液の送液を終了した後、マイクロポンプをひっくり返して、多量の駆動液を有する下部空間を上部空間とし、駆動液が少量になった上部空間を下部空間として元のポート開口部に載置し直し、電極間に電圧を印加すれば、再び駆動液を上から下へ移動させることができる。その結果、煩雑な駆動液供給操作を省略できるばかりか、駆動液が大気中の塵埃、微生物、炭酸ガスなどにより汚染されたり、変質したりすることが完全に防止される。駆動液の出し入れや交換又は補充などが不必要になるため、駆動液にかかる費用を節約できるばかりか、装置構成全体がシンプルになるので、装置コストも安価になる。【００３０】
前記課題を解決するための手段としての請求項１１の発明は、１個以上の大気に向かって開口したポートと、該ポートに連通する微細流路を有するポリジメチルシロキサン製基板と、該ポリジメチルシロキサン製基板の微細流路形成面に貼り合わされる対面基板とからなるマイクロ流体チップにおいて、
前記ポートのうちの少なくとも１個のポートの開口上面に、請求項１〜１０の何れかに記載のマイクロポンプを着脱可能に載置したことを特徴とするマイクロ流体チップを提供する。【００３１】
この発明によれば、マイクロ流体チップ使用後はＰＤＭＳ基板からマイクロポンプを脱離させることにより、これらマイクロポンプを別のマイクロ流体チップで再使用することができ、大幅なコスト低減を実現することができる。【００３２】
前記課題を解決するための手段としての請求項１２の発明は、前記開口ポートが形成されている基板に、前記開口ポート内に試料溶液を補給するための試料溶液補給路と、前記開口ポート内の空気を抜くための空気抜き路が更に形成されていることを特徴とする請求項１１に記載のマイクロ流体チップを提供する。【００３３】
この発明によれば、試料溶液補給路を使用することにより、ポート上にマイクロポンプが載置されたままの状態で、ポート内に試料溶液を直接補給することができ、その際、空気抜き路から空気抜きがされるので安定なマイクロポンプ動作がなされる。【００３４】
前記課題を解決するための手段としての請求項１３の発明は、前記試料溶液補給路には、開閉弁と、試料溶液タンクから前記ポート内に試料溶液を送液する補給ポンプとが設けられ、試料溶液補給時に、前記開閉弁と前記補給ポンプとを操作する制御装置が更に設けられていることを特徴とする請求項１２記載のマイクロ流体チップを提供する。【００３５】
この発明によれば、制御装置が、試料溶液補給路に設けた開閉弁と、補給ポンプを操作することで、試料溶液の補給が自動化される。
【発明の効果】
【００３６】
本発明のマイクロポンプによれば、外殻の多孔質膜により２分された中空部の下部空間に連通する液体充填用バイパス流路を介して駆動液などの液体類を迅速に下部空間内に充填することができる。この際、下部空間内の空気は空気抜き流路を経て大気に抜けていくので、駆動液などの液体類を下部空間に満たす際の障害にはならない。その結果、極めて短時間のうちに下部空間に駆動液などの液体類を充填することが可能となり、従来のマイクロポンプのように電圧を印加して長時間かけて下部空間に駆動液などの液体類を満たしていた緩慢で冗長な操作は不要になるので、マイクロポンプの操作性又は使い勝手が飛躍的に改善できる。【００３７】
また、駆動液と試料液体とが明瞭な界面を形成できず、互いに混じり合ってしまうような場合、従来は駆動液と試料液体との間に緩衝液を介在させていたが、下部空間の端部に隔膜を配設することにより、緩衝液を使用することなく、隔膜を介して電気浸透流の駆動力を試料液体に伝達することができる。その結果、緩衝液の使用に伴う様々な問題点を全て解決できる。【００３８】
更に、上部空間及び下部空間を隔膜でそれぞれ密閉し、各密閉空間内に所定量の駆動液を充填しておくことにより、煩雑な駆動液供給操作を省略できるばかりか、駆動液が大気中の塵埃、微生物、炭酸ガスなどにより汚染されたり、変質したりすることが完全に防止される。駆動液の出し入れや交換又は補充などが不必要になるため、駆動液にかかる費用を節約できるばかりか、装置構成全体がシンプルになるので、装置コストも安価になる。【００３９】
また、マイクロポンプの外殻をＰＤＭＳ又はガラスで形成することにより、マイクロ流体チップのＰＤＭＳ基板に対して自己吸着させることが可能になり、使用後にマイクロ流体チップ自体は廃棄されても、本発明のマイクロポンプは別の新たなマイクロ流体チップに再び自己吸着させることにより何度でも再使用が可能になる。その結果、高価なマイクロポンプに要するコストが大幅に軽減され、極めて経済的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施態様について具体的に説明する。図１は本発明によるマイクロポンプ２０の一例の概要断面図である。図１に示されるように、本発明のマイクロポンプ２０は基本的に図１９及び図２０に示された従来のマイクロポンプと同様に、外殻２３と、上部電極２５と下部電極２７の間に間挿された多孔質膜２９とからなる。また、電極具備多孔質膜２９は外殻２３の中空部を上下に２分するように配置され、その結果、電極具備多孔質膜２９を境にして上部空間３１と下部空間３３が形成される。図示されていないが、上部電極２５は直流電源のプラス側に接続され、下部電極２７は直流電源のマイナス側に接続されている。しかし、目的に応じて、プラス、マイナスを逆に接続することもできる。外殻２３はポンプホルダーと呼ばれることもある。マイクロポンプ２０をマイクロ流体チップ１（図１９参照）の上面に安定的に載置可能にするため、外殻２３の下部は拡大外径を有する所定の厚さのフランジ部３５が形成されていることが好ましい。しかし、このフランジ部３５の配設自体は本発明の必須要件ではない。外殻２３はＰＤＭＳから形成されていることが好ましい。外殻２３がＰＤＭＳから形成されていると、マイクロ流体チップ１のＰＤＭＳ基板３のポート７の上面に載置することにより、マイクロポンプ２０をＰＤＭＳ基板３に自己吸着させることができる。その結果、マイクロポンプ２０はＰＤＭＳ基板３に対して脱着可能となる。従来のマイクロ流体チップでは、使用後に、マイクロポンプなどはチップと共に廃棄されてしまうが、本発明によれば、マイクロ流体チップ１の使用後はＰＤＭＳ基板３からマイクロポンプ２０を脱離させることにより、これらマイクロポンプ２０を別のマイクロ流体チップで再使用することができ、大幅なコスト低減を実現することができる。【００４１】
図１において、外殻２３の上部空間３１側の側壁を貫通する第１の穴３７を開設し、下部空間３３側の側壁を貫通する第２の穴３９を開設し、この第１の穴３７と第２の穴３９を連通させる、所定の幅と深さを有する第１の溝４１を外殻２３の外壁面に配設する。第１の穴３７、第２の穴３９及び第１の溝４１は公知慣用の手段で形成することができる。第１の穴３７、第２の穴３９及び第１の溝４１を覆い隠す第１の遮蔽シート４３を外殻２３の外壁面に接着させる。この遮蔽シート４３でシールされた第１の穴３７、第２の穴３９及び第１の溝４１は、上部空間と下部区間を連通する液体充填用バイパス流路を構成する。第１の穴３７及び第２の穴３９の内径は一例として１ｍｍであることができる。その他の内径を採用することもできる。第１の遮蔽シート４３の材質は特に限定されないが、ＰＤＭＳ製外殻２３と自己吸着可能にするため、第１の遮蔽シート４３もＰＤＭＳから形成することが好ましい。第１の遮蔽シート４３の厚さ及びサイズは特に限定されない。第１の穴３７、第２の穴３９及び第１の溝４１をシールするのに必要十分な厚さ及びサイズを有すればよい。バイパス流路はマイクロポンプのための駆動液に限らず、液状の試薬やサンプルなどの液体類全般の充填用としても利用できる。【００４２】
図１において、外殻２３の上部空間３１側の側壁には、前記第１の穴３７と異なる位置に、第４の穴４７が貫通して開設されている。同様に、下部空間３３側の側壁を貫通する第３の穴４５が、前記第２の穴３９と異なる位置に開設されている。そして、この第３の穴４５と第４の穴４７を連通させる、所定の幅と深さを有する第２の溝４９が外殻２３の外壁面に配設されている。第３の穴４５、第４の穴４７及び第２の溝４９は公知慣用の手段で形成することができる。第４の穴４７の内径は一例として１ｍｍであることができる。第３の穴４５の内径は一例として２ｍｍであることができる。第３の穴４５の内径が気泡の外径よりも小さいと、第３の穴４５の周囲に気泡が滞積して排出されなくなる恐れがある。効率的に空気抜きを行うために、第３の穴の内径は他の穴の内径よりも大きいことが好ましい。言うまでもなく、その他の内径も採用できる。第３の穴４５、第４の穴４７及び第２の溝４９を覆い隠す第２の遮蔽シート５１を外殻２３の外壁面に接着させる。この第２の遮蔽シート５１でシールされた第３の穴４５、第４の穴４７及び第２の溝４９は、下部空間内の空気を大気中に抜くための空気抜き流路を構成する。第２の遮蔽シート５１の材質は特に限定されないが、ＰＤＭＳ製外殻２３と自己吸着可能にするため、第２の遮蔽シート５１もＰＤＭＳから形成することが好ましい。第２の遮蔽シート５１の厚さ及びサイズは特に限定されない。第３の穴４５、第４の穴４７及び第２の溝４９をシールするのに必要十分な厚さ及びサイズを有すればよい。【００４３】
重要なことは、第４の穴４７が第１の穴３７の高さ位置よりも上部に位置することである。第４の穴４７の高さ位置が第１の穴３７の高さ位置と同じか又はそれよりも下だと、第４の穴４７は上部空間３１に充填される駆動液の液面レベル以下となり、空気抜き流路としての機能を果たすことができない。【００４４】
第３の穴４５の高さ位置は、第２の穴３９の高さ位置と同じか、又はそれよりも上部に位置することができる。図１では、第３の穴４５の高さ位置は、第２の穴３９の高さ位置よりも上になっているが、電極具備多孔質膜２９を傾斜させ、多孔質膜２９の傾斜上部が第３の穴４５の高さ位置と略同一になるように配置すると、下部空間３３内の空気は多孔質膜２９の傾斜に沿って第３の穴４５に導かれ完全かつスムーズに大気中に逃がされ、下部空間３３内に留まることは無い。【００４５】
第１の穴３７と第２の穴３９を連通させる第１の溝４１は、図２（Ａ）に示されるような直線状に形成することもできるが、図２（Ｂ）に示されるような蛇行状に形成することもできる。直線状の溝に比べて、蛇行状の溝は溝全体の距離が長くなるので圧力損失を制御することが可能になるという利点を有する。その結果、駆動液が下部空間３３から上部空間３１へ逆流するような不都合な事態を効果的に防止することができる。蛇行回数は図示された実施態様に限定されず、任意の回数を選択することができる。また、蛇行は図示されたようなクランク形状に限定されず、所定の曲率を有する曲線形状であることもできる。特別には図示されていないが、第３の穴４５と第４の穴４７を連通させる第２の溝４９も、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示された実施態様と全く同様に構成することができる。第１の溝４１及び第２の溝４９の幅及び深さは例えば、数十μｍ〜数百μｍの範囲内で適宜選択することができる。第１の溝４１及び第２の溝４９の長さは数ｍｍ〜数十ｍｍの範囲内で適宜選択することができる。【００４６】
別法として、外殻２３の外壁面上に第１の溝４１及び第２の溝４９を配設する代わりに、図３に示すように、第１の遮蔽シート４３Ａ（又は第２の遮蔽シート５１Ａ）の接着面側に第１の溝４１Ａ（又は第２の溝４９Ａ）を形成することもできる。この場合、第１の溝４１Ａ（又は第２の溝４９Ａ）は、レジスト鋳型などを使用する公知の光リソグラフィー法などにより第１の遮蔽シート４３Ａ（又は第２の遮蔽シート５１Ａ）の接着面側に容易に形成することができる。第１の溝４１Ａ（又は第２の溝４９Ａ）の両端には、第１の穴３７及び第２の穴３９（又は第３の穴４５及び第４の穴４７）との位置合わせを容易にするために凹陥部５３，５５を形成することもできる。しかし、この凹陥部は無くてもよい。溝４１Ａ（又は４９Ａ）の一部が第１の穴３７及び第２の穴３９（又は第３の穴４５及び第４の穴４７）と交差すれば、駆動液充填用バイパス流路（又は空気抜き流路）として機能することができるからである。【００４７】
図４は、図３に示された第１の溝４１Ａ及び第２の溝４９Ａを接着面側に有する第１の遮蔽シート４３Ａ及び第２の遮蔽シート５１Ａをマイクロポンプ２０Ａの外殻２３Ａに接着させた状態の断面図であり、図５はその斜視図である。【００４８】
図６は第２の遮蔽シートの別の実施態様の概要平面図であり、図７はこの第２の遮蔽シートを用いた本発明のマイクロポンプの部分概要断面図である。図６に示されるように、第２の遮蔽シート５１Ｂでは、第２の溝４９Ｂの上端側がシートの端部にまで延長され、空気出口５７を形成している。これにより、外殻２３Ｂの上部空間３１の側壁に空気抜き用の貫通した第４の穴４７を設ける必要が無くなる。【００４９】
図８は本発明のマイクロポンプの別の実施態様の部分概要断面図である。この実施態様では、第１の遮蔽シート４３Ｂは、第１の溝４１Ｂの上端側がシートの上端部にまで延長され、液体（例えば、駆動液など）注入口５９を形成している。従って、バイパス流路に液体を注入するための第１の穴３７を外殻２３Ｃの上部空間３１の側壁に穿設する必要が無いので、マイクロポンプの製造が容易になるばかりか、液体注入口５９にシリンジを挿入することにより簡単に液体を下部空間３３内に送液することができる。【００５０】
図９は本発明のマイクロポンプの更に別の実施態様の部分概要断面図である。このマイクロポンプ２０Ｄでは、駆動液などの液体類を下部空間３３に送液するためのバイパス流路となる第１の溝４１Ｃ及び空気抜き流路となる第２の溝４９Ｃが外殻２３Ｄの壁内に配設されている。従って、この実施態様では、第２の穴３９及び第３の穴４５は貫通孔ではなく、第１の溝４１Ｃ及び第２の溝４９Ｃに達する長さしか有しない。この実施態様によれば、第１の遮蔽シート及び第２の遮蔽シートを使用する必要がないので、すっきりとした構造のマイクロポンプ２０Ｄが得られる。液体注入口５９及び空気出口５７は何れも外殻２３Ｄの上端面上に開口しているが、この態様に限定されず、第１の溝４１Ｃに連通する第１の穴を、上部空間の内側に向かって開口させるか、又は外殻の外側に向かって開口させることもでき、同様に、第２の溝４９Ｃに連通する第４の穴を上部空間の内側に向かって開口させるか、又は外殻の外側に向かって開口させることもできる。【００５１】
図１０は本発明のマイクロポンプの更に他の実施態様の部分概要断面図である。このマイクロポンプ２０Ｅでは、下部空間３３の下端寄りに、隔膜６１が配設されている。隔膜６１は例えば、環状の隔膜ホルダー６２により下部空間３３の下端内壁面に定着させることができる。言うまでもなく、図示された以外の態様によっても隔膜６１をマイクロポンプ２０Ｅに配設することができる。隔膜６１は熱可塑性合成樹脂（例えば、ポリエチレン、ポリエステル、ナイロン、メチルメタクリレートなど）又はゴム（例えば、シリコーンゴム、ラテックスゴムなど）などのような可撓性又は柔軟性を有する素材から形成されていることが好ましい。隔膜６１の膜厚は０．０３ｍｍ〜１ｍｍ程度である。隔膜６１の形状は図示されているような断面が楕円状のドーム形に限定されず、円形、コーン形あるいは不定形であってもよく、形状を変えることにより突出した部分の容積を変化させることができるものであればよい。【００５２】
駆動液と試料液体とが明瞭な界面を形成せず、互いに混じり合ってしまう場合には、駆動液と試料液体とを分離させるために緩衝液を使用する必要性がある。しかし、緩衝液の使用には次のような問題点が存在する。
(a)緩衝液が試料液体を変質させたり、汚染したりすることがある；
(b)緩衝液による分離が上手く行かず、場合により駆動液が試料液体に混合して汚染する可能性がある；
(c)マイクロポンプの始動、試料液体の補充、メンテナンス等の際に、３種類の液体をハンドリングしなければならず、作業が繁雑となる；及び
(d)緩衝液を保持するために特別な管路を設ける必要が生じ、構造が複雑となり、マイクロチップへの組み込みが難しくなる。
図１０に示されるように、本発明のマイクロポンプにおいて隔膜６１を使用することにより緩衝液の使用は不要となり、その結果、前記(a)〜(d)の問題点は全て解決される。【００５３】
本発明のマイクロポンプで使用される電極具備多孔質膜２９自体は前記特許文献３に記載された公知の部材である。例えば、多孔質膜前後にパッキンを入れて電極を設置したものであることができる。多孔質膜は支持体により支持させることができる。多孔質膜は例えば、ニッケル金属フィルター又はポリカーボネートフィルターなどである。ポリカーボネートフィルターは（株）三商からアイソポア（登録商標）メンブレンフィルターとして市販されている。このメンブレンはポリカーボネートフィルムからなり、メンブレン表面で試料を観察するあらゆる分析に推奨されるトラックエッチドスクリーンフィルタである。このポリカーボネートフィルターの孔径は２μｍ、５μｍ又は１２μｍで、厚さは１１μｍである。一方、ニッケル金属フィルターの孔径は５μｍで、厚さは１０μｍである。膜前後の電極間に直流数Ｖ〜数十Ｖ（例えば、２Ｖ〜１５Ｖ）の電圧を印加すると、液体は陽極側から陰極側に向かって流れる。印加電圧の極性を逆にすると、液体の流動方向を逆転させることができる。この多孔質膜ポンプによる流量は０．０２ｍｍ３／ｓ〜０．１４ｍｍ３／ｓの範囲内で変化させることができる。流量は印加電圧に概ね比例する。【００５４】
本発明のマイクロポンプで使用される駆動液は、電気浸透流を起こすことが出来る液体であれば全て使用できる。一例として、液体中で耐電する性質を有している粒径０．０１μｍ〜０．５μｍの微粒子を浮遊させた液体を使用することができる。具体的には、溶液中に微粒子を分離させたコロイド状溶液（例えば、ポリスチレンコロイド溶液やシリカコロイド溶液）を駆動液として用いることができる。また、電気分解が発生しないように処理されている電解質溶液や、純水又は精製水なども使用することができる。【００５５】
本発明のマイクロポンプ２０〜２０Ｄの使用方法は次の通りである。先ず、マイクロ流体チップ１（図１９参照）のポート７に目的の試料溶液を注入する。その後、本発明のマイクロポンプ２０（又は２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ）の外殻２３（又は２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄ）の下部空間３３の開口とポート７の開口とを位置合わせして、マイクロポンプ２０をＰＤＭＳ基板３上に載置する。外殻２３がＰＤＭＳで形成されているため、マイクロポンプ２０はＰＤＭＳ基板３と自己吸着することができる。次いで、外殻２３の上部空間３１内に駆動液を充填する。駆動液は第１の穴３７（又は駆動液注入口５９）からバイパス流路（第１の溝）４１（又は４１Ａ〜４１Ｄ）を経て第２の穴３９より下部空間３３に流れ込む。下部空間３３の空気は第３の穴４５から空気抜き流路（第２の溝）４９（又は４９Ａ〜４９Ｄ）を経て第４の穴４７（又は空気出口５７）より大気に解放される。その結果、上部空間３１に駆動液を充填すると同時に下部空間３３にも駆動液を満たすことができる。上部空間３１から下部空間３３に駆動液を満たす際、必要に応じて上部空間に圧力を印加することもできる。また、必要に応じて、第１の穴３７と第４の穴４７又は空気出口５７を封止することもできる。上部空間３１及び下部空間３３に駆動液が満たされたら、電極２５及び２７に所定のＤＣ電圧を印加すると、上部空間３１内の駆動液が多孔質膜２９を介して下部空間３３内に浸透していき、その際の電気浸透流の圧力によりポート７内の試料溶液は微細流路５内に送液される。駆動液と試料溶液が混ざり合わず、明瞭な界面を形成することが好ましい。【００５６】
本発明のマイクロポンプ２０Ｅの場合、電極２５及び２７に所定のＤＣ電圧を印加すると、上部空間３１内の駆動液が多孔質膜２９を介して下部空間３３内に浸透していき、隔膜６１がポート７側に膨らみ、ポート７の容積が減少するので、駆動液の駆動力が隔膜６１を介して試料溶液に伝達される。駆動液と試料溶液が隔膜６１により分離されるので、試料溶液と駆動液が互いに混じり合ってしまうような場合には、マイクロポンプ２０Ｅが有用である。言うまでもなく、駆動液と試料溶液が混ざり合わず、明瞭な界面を形成する場合であっても、隔膜６１を有するマイクロポンプを使用することができる。【００５７】
バイパス流路（第１の溝）４１（又は４１Ａ）及び空気抜き流路（第２の溝）４９（又は４９Ａ，４９Ｂ，４９Ｃ）の圧力損失が微細流路５（図１０参照）よりも大きい場合、電気浸透流を起こさせても、下部空間３３内の駆動液がバイパス流路４１や空気抜き流路４９から上部空間３１に逆流することは無い。しかし、駆動液や気泡を流れ易くするために、バイパス流路４１や空気抜き流路４９の内径を大きくすると、逆流が生じることもあり得るので、そのような場合には、穴３７（又は注入口５９）及び穴４７（又は空気出口５７）を封止する必要がある。【００５８】
図１１は本発明のマイクロポンプの更に他の実施態様の部分概要断面図である。この実施態様では、図１〜図１０に示されたバイパス流路（第１の溝）４１（又は４１Ａ）及び空気抜き流路（第２の溝）４９（又は４９Ａ，４９Ｂ，４９Ｃ）の代わりに、外殻２３Ｅに駆動液供給管６３及び６５と、空気抜き管６７及び６９が配設されている。駆動液供給管６３及び６５はそれぞれ、開閉弁Ｖ１及びＶ２を介して駆動液源に接続されている。また、空気抜き管６７及び６９はそれぞれ、開閉弁Ｖ３及びＶ４を介して駆動液回収容器７１に開口している。外殻２３Ｅの上端面には上部空間３１を覆う蓋７３が載置されている。蓋７３は上部空間３１内の駆動液が大気中の塵埃、微生物、炭酸ガスなどにより汚染されることを防止するために使用されるが、無くてもかまわない。電極２５及び２７は切換スイッチ６２を介して直流電源６４に接続されている。直流電源６４としては一次電池や二次電池などの他、交流電源からコンバータを介して直流電源を得る電源装置であってもよい。また、可変抵抗器などの電圧調整手段を具備することもできる。図１１に示されるマイクロポンプの場合、外殻２３Ｅは、ＰＤＭＳの他、合成樹脂や金属から作製されていてもよい。【００５９】
図１１に示されるように、マイクロポンプ２０Ｆは、マイクロチップ７３のポート７５の開口上部に載置されている。マイクロチップ７３は従来のマイクロチップ１と同様に、上面基板７７と下面基板７９とから構成されており、上面基板７７は料溶液を送液するためのマイクロチャネル８１を有する。マイクロチャネル８１はポート７５に連通している。【００６０】
図１２に示されるように、このマイクロチップ７３の特徴は、上面基板７７がマイクロチャネル８１の他に、ポート７５に連通する２つの流路を更に有することである。一方は、ポート７５に試料溶液を補給する補給管路８３であり、他方は空気抜き管路８５である。図示されているように、補給管路８３はポート７の底部近傍に開口しているが、空気抜き管路８５はポート７の頂部に開口している。すなわち、空気抜き管路８５は上面基板７７の上面に形成した溝で構成されているので、これを覆うように取り付けた継手８７によって密封されている。【００６１】
図１１に示されるようなマイクロチップ７３に実装されたマイクロポンプ２０Ｆの動作について図１３及び図１４を参照しながら説明する。補給管路８３は開閉弁Ｖ５を有する供給管８９を介して、手押しポンプ９１付きの試料溶液タンク９３に連絡している。空気抜き管路８５は、開閉弁Ｖ６を有する空気抜き管９５を介して試料溶液回収容器９７に開口している。空気抜き管９５は、例えば、垂直部分がガラスなどの透明部材で形成し、液面の上昇を目視できるようにしてもよい。なお、上述した開閉弁Ｖ１〜Ｖ６は、マイクロポンプの動作に影響するものであるので、閉鎖時には漏れが無いような精密な構造のものを使用することが好ましい。また、マイクロチャネル８１には、始動作業や補給作業の際に、補給された試料溶液が下流側に流れないようにするための開閉弁Ｖ７が設けられている。【００６２】
ポンプ本体２０Ｆの上部空間３１及び下部空間３３のいずれにも駆動液が充填されておらず、しかも、ポート７５内にも試料溶液が充填されていない状態で始動する際には、先ず、開閉弁Ｖ１，Ｖ２及び試料溶液タンク９３も開閉弁Ｖ８と、マイクロチャネル８１へ通じる開閉弁Ｖ７を閉じ、開閉弁Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６を開いて、試料溶液タンク９３の手押しポンプ９１を操作し、試料溶液をポート７５に送る。空気抜き管路９５の先端側から試料溶液が出てきたら、ポート７５内の空気が押し出されたので、開閉弁Ｖ６を閉じる。ポート７５内には試料溶液が溜まっていき、隔膜６１を上方に押し出し、例えば、図１４の破線で示すようになる。なお、この図では、隔膜６１の変形を誇張して描いている。ポート７５内に十分な量の試料溶液が溜まったら、試料溶液タンク９３からの送液を止め、開閉弁Ｖ５を閉じる。【００６３】
次に、駆動液タンク９９に連絡する開閉弁Ｖ１，Ｖ２と空気抜き用の開閉弁Ｖ３，Ｖ４を開いて、駆動液をマイクロポンプ２０Ｆの上部空間３１及び下部空間３３に供給する。開閉弁Ｖ３，Ｖ４から駆動液が出るようになったら、空気抜きが終わったので、開閉弁Ｖ１〜Ｖ４を閉じ、マイクロポンプ２０Ｆの動作準備を完了する。なお、多孔質薄膜２９や電極２５，２７近傍の空気抜きを十分に行うには、しばらくマイクロポンプを準備運転してから、もう一度上記の駆動液供給動作をおこなうことが好ましい。【００６４】
上記において、試料溶液の充填を駆動液の充填よりも先に行ったのは、開閉弁Ｖ４を開いた状態で駆動液を供給すると、隔膜６１が駆動液の自重で下方へ膨らんでしまい、十分に試料溶液を供給できないからである。しかしながら、下部空間３０への駆動液の供給を所定量で止め、その後に開閉弁Ｖ２を「閉」、Ｖ４を「開」とした状態で試料溶液を供給すれば、やがて駆動液が開閉弁Ｖ４より押し出されるので、このようにしてもよい。上部空間３１、下部空間３３及びポート７５のいずれにも、空気が抜けた状態で液が充填されればよいのであって、やり方は任意である。【００６５】
このようにして、上部空間３１、下部空間３３及びポート７５にそれぞれの液が供給された状態で、開閉弁Ｖ１とＶ７のみを開いて電極２５、２７間に所定電圧を印加して、マイクロポンプを作動させる。開閉弁Ｖ１を「開」とするのは、駆動液のヘッドｈを一定に維持するためである。これにより、多孔質膜２９を駆動液中の微粒子が通過し、これに伴って上部空間３１から下部空間３３へ駆動液が微小量ずつ流れる。これにより、隔膜６１が下方へ膨らみ、下部空間３３の容積が増大してポート７５の容積が減少し、試料溶液がポート７５からマイクロチャネル８１へと送り出される。隔膜６１が非圧縮性なので、駆動液の流量と試料溶液の流量は常に一致する。【００６６】
マイクロポンプ２０Ｆの動作に伴い、下部空間３３の容積が増加し、やがて、隔膜６１が図１４において実線で示す原形に近ずく、そこで、所定のタイミングで運転を停止し、試料溶液の補充作業を行う。これは、供給管８９の開閉弁Ｖ５と、下部空間３３の空気抜き／駆動液排出のための開閉弁Ｖ４とを「開」とし、他の開閉弁を「閉」の状態で、手押しポンプ９１を作動すればよい。これによりポート７５に圧送された試料溶液は隔膜６１を押し上げ、下部空間３０内の駆動液を空気抜き／駆動液排出管６９及び開閉弁Ｖ４より駆動液回収容器７１へと押し出す。所定量が供給されたところで、開閉弁Ｖ４，Ｖ５を閉じ、開閉弁Ｖ７を「開」として、マイクロポンプ２０Ｆの動作を再開すればよい。【００６７】
図１５は、本発明のマイクロポンプが実装されるマイクロチップの他の実施態様を示す概要図である。マイクロチップ７３の下面基板８１を貫通するようにポート７５を拡大する。具体的には、下面基板８１に貫通孔を設け、該貫通孔の下部にカップ状の容器１０１を配置する。容器１０１の内部が拡大ポート７５となる。拡大ポート７５の深さに応じて隔膜６１のサイズ及び形状を適宜選択する。このようにして、拡大ポート７５の深さを大きくすることにより、１回の試料溶液補給によって動作可能な期間を延長することができる。【００６８】
図１６は、本発明のマイクロポンプが実装されるマイクロチップの更に他の実施態様を示す概要図である。上記の実施態様では、試料溶液の補給を手押しポンプ９１で人手により行ったが、図１６の実施態様では、所定のアクチュエータで動作する補給ポンプ１０３を用いる。更に、この実施態様では、この補給ポンプ１０３の動作と開閉弁Ｖ１〜Ｖ７び開閉動作を必要に応じて制御し、所定のタイミングで補給動作を行う制御装置１０５が設けられている。補給動作を行うタイミングは、(A)マイクロポンプの動作時間を測定する、(B)流量計等により総流量を測定する、（C）隔膜６１の変形をセンサで測定する等の方法が考えられる。このような構成により、長期に自動化したマイクロポンプ運転が可能となる。【００６９】
図１７は、本発明のマイクロポンプの更に別の実施態様の概要断面図である。このマイクロポンプ２０Ｇは上下対称に構成されている。すなわち、外殻２３Ｆの内部を２等分するように、多孔質膜２７と、一対の電極２５及び２７を配設する。この場合、多孔質膜や電極を傾斜させて取付ける必要は無く、水平な状態に取付ければよい。空気抜きを行う必要が無いからである。多孔質膜２７により２等分された外殻２３Ｆの上部空間３１の上端には隔膜６１ａが、また、下部空間３３の下端には隔膜６１ｂがそれぞれ固着されている。隔膜６１ａと多孔質膜２７により画成される閉塞上部空間３１内には駆動液２２３が密封充填されている。同様に、隔膜６１ｂと多孔質膜２７により画成される閉塞下部空間３３内にも駆動液２２３が密封充填されている。ここで重要なことは、一方の閉塞空間内の駆動液量が、他方の閉塞空間内の駆動液量よりも多いことである。例えば、図示されているように、閉塞上部空間３１内には隔膜６１ａが外殻２３Ｆの外方へ向かって膨隆するほど駆動液が存在するのに対して、閉塞下部空間３３内には隔膜６１ｂが外殻２３Ｆの内方へ向かって窪む程度の量の駆動液しか存在しない。各空間内の駆動液量に差を付けるのは簡単である。外殻２３Ｆの内容積は既知であるから、その２等分量に相当する量の駆動液を注射器などのような公知慣用の手段で閉塞上部空間３１及び閉塞下部空間３３内にそれぞれ注入する。その後、電極に電圧を印加して電気浸透流を発生させ、一方の空間内の駆動液を他方の空間内へ移動させればよい。移動先の空間内の駆動液量は増大し、反対に移動元の空間内の駆動液量は減少する。換言すれば、移動先の空間内の圧力は増大するので隔膜が膨隆するのに対して、移動元の空間内の圧力は低下するので隔膜は凹む。従って、この実施態様におけるマイクロポンプ２０Ｇでは、駆動液はポンプ内に常に密封状態で保持され、駆動液の出し入れや交換又は補充などは特別な場合を除いて行われない。【００７０】
図１８Ａ〜図１８Ｃを参照しながら、マイクロポンプ２０Ｇの使用方法を説明する。図１７に示される密閉型マイクロポンプ２０Ｇをマイクロチップ７３のポート７５の開口上部に位置合わせして配置する。マイクロチップ自体は図示された態様のものに限定されず、ポートとマイクロチャネルを有するものであれば全て使用できる。例えば、図１９におけるマイクロチップ１なども当然使用できる。ポート７５の開口上部に配置した状態の時、上部空間３１内の駆動液の量の方が、下部空間３３内の駆動液量よりも多くなければならない。これは隔膜の外観を見れば容易に確認できる。すなわち、膨隆している方が上で、凹んでいる方を下にすればよい。図１８Ａに示されたマクロチップ７３の場合、マイクロポンプ２０Ｇを配置後に、ポート７５内に試料溶液２２５を注入する。ポート７５内への試料溶液の注入方法については既に具体的に説明したのでここでは省略する。補給管路８３などの機構を有しないマイクロチップの場合、予めポート内に試料溶液を注入しておき、その後、マイクロポンプ２０Ｇを配置すればよい。上部電極２５側を直流電源のプラス側に、下部電極２７をマイナス側に接続して所定の電圧を印加する。【００７１】
電圧の印加により多孔質膜２９を通して電気浸透流が発生し、上部空間３１内の駆動液２２３が下部空間３３に向かって移動する。この移動に伴い、下部空間３３の隔膜６１ｂが下方へ膨らみ、下部空間３３の容積が増大してポート７５の容積が減少し、試料溶液２２５がポート７５からマイクロチャネル８１へと送り出される。隔膜６１ｂが非圧縮性なので、駆動液の流量と試料溶液の流量は常に一致する。図１８Ｂに示されるように、下部空間３３の隔膜６１ｂの下方への膨隆が限界に達した時点で、電圧の印加を止める。【００７２】
その後、マイクロポンプ２０Ｇをマイクロチップ７３から外し、マイクロポンプ２０Ｇを上下転倒させて（すなわち、ひっくり返して）マイクロチップ７３のポート７５の開口上部に位置合わせして再び配置する。図１８Ｃは、マイクロポンプ２０Ｇをひっくり返してマイクロチップ７３のポート７５の開口上部に位置合わせして再配置した状態を示す。従前の下部空間３３が今度は上側に位置し、上部空間３１は下側に位置する。この場合、電極も上下ひっくり返っているので、電圧を印加する場合には、電極２７をプラス側に接続し、電極２５をマイナス側に接続しなければならない。斯くして、電極間に電圧を印加すれば再び電気浸透流が発生し、駆動液２２３は上側から下側に流れ、ポート７５内の試料溶液２２５をマイクロチャネル８１に送出させることができる。従って、図１８Ａ〜図１８Ｃの操作を繰り返すことにより、試料溶液送出作業を効率的に実施することができる。【００７３】
図１７に示されるマイクロポンプ２０Ｇを使用することにより、図１１〜図１６に示されるような煩雑な駆動液供給操作を省略できるばかりか、駆動液が大気中の塵埃、微生物、炭酸ガスなどにより汚染されたり、変質したりすることが完全に防止される。駆動液の出し入れや交換又は補充などが不必要になるため、駆動液にかかる費用を節約できるばかりか、装置構成全体がシンプルになるので、装置コストも安価になる。【００７４】
以上、本発明のマイクロポンプの具体的な実施態様について図面を参照しながら説明してきたが、本発明のマイクロポンプは例示された実施態様にのみ限定されるものではなく、様々な改変を施すことができる。例えば、図示された実施態様では、第１の遮蔽シートと第２の遮蔽シートが別々のシートとして説明されているが、第１の遮蔽シートと第２の遮蔽シートは一枚の連続的なシートであることもできる。【００７５】
第１の溝及び第２の溝を形成する際、外殻の外壁面に配設する態様と遮蔽シートに配設する態様及び／又は外殻の壁内に配設する態様を適宜都合良く組み合わせることもできる。例えば、第１の溝を外殻の外壁面に配設し、第２の溝を遮蔽シートに配設したり、逆に、第１の溝を遮蔽シートに配設し、第２の溝を外殻の外壁面に配設する態様を採用することもできる。【００７６】
また、溝の形状も直線状と蛇行状を組み合わせて使用することもできる。例えば、第１の溝及び第２の溝の両方とも直線状の溝か又は蛇行状の溝であることもできるし、一方が直線状の溝で他方が蛇行状の溝であることもできる。【００７７】
マイクロポンプ自体のサイズは本発明の必須要件ではない。用途に応じて適宜のサイズを選択することができる。マイクロポンプの選択された特定のサイズに応じて、シート、穴及び溝の各サイズを適宜最適値に調整、変更することができる。【００７８】
また、外殻２３の形状は円柱状に限らず、角柱状であることもできる。更に、外殻２３の材質はＰＤＭＳだけに限定されず、ＰＤＭＳ基板３と自己接着することができるガラス、合成樹脂類、金属類であることもできる。【００７９】
本発明のマイクロポンプで使用される駆動液として食塩水を使用すると電圧印加後に電気分解が起こり、気泡発生や流量の時間的減少が見られるので好ましくない。ポリスチレンコロイド溶液やシリカコロイド溶液では、このような気泡発生や流量の時間的減少が見られず、流量は一定になる。
【実施例１】
【００８０】
（１）図１９に示されるような断面構造を有するマイクロ流体チップ１を作製した。対面基板１０は厚さ１ｍｍのガラス製であり、基板３は厚さ２ｍｍのＰＤＭＳ製であった。微細流路５の幅及び高さは各２００μｍであり、長さ（距離）は５０ｍｍであった。ポート９の内径は１ｍｍであった。ポート７の内径は９ｍｍとした。
（２）図４に示されるマイクロポンプ２０Ａを作製した。マイクロポンプ２０ＡのＰＤＭＳ製外殻２３Ａの外径は２０ｍｍ、高さは１８ｍｍであり、上部空間３１の内径は１３ｍｍ、下部空間３３の内径は１０ｍｍ、フランジ部３５の外径は３０ｍｍ、高さは２ｍｍであった。外殻２３Ａの上端から５ｍｍの位置に第１の穴３７（内径１ｍｍ）を穿設し、フランジ部３５の下面から６ｍｍの位置に第２の穴３９（内径１ｍｍ）を穿設した。同様に、外殻２３Ａの上端から２ｍｍの位置に第４の穴４７（内径１ｍｍ）を穿設し、フランジ部３５の下面から７．９ｍｍの位置に第３の穴４５（内径２ｍｍ）を穿設した。多孔質膜２９として、孔径２μｍ、孔数１５０００００個、厚さ１１μｍのポリカーボネート多孔質膜を使用した。この多孔質膜の上面側及び下面側にパッキンを介して電極２５及び２７をそれぞれ接続させた。電極具備多孔質膜２９の外径は１３ｍｍであった。外殻２３Ａの中空部内に電極具備多孔質膜２９を傾斜させて取り付けた。次いで、凹陥部５３及び５５（内径各１００μｍ、凹陥部間隔７ｍｍ）及び第１の溝４１Ａ（幅１００μｍ、深さ１００μｍ、長さ８．１ｍｍ）が形成されているＰＤＭＳ製第１の遮蔽シート４３Ａを、第１の穴３７及び第２の穴３９と位置合わせさせて外殻２３Ａの外壁面に自己吸着させた。同様に、凹陥部５３及び５５（内径各１００μｍ、凹陥部間隔７ｍｍ）及び第２の溝４９Ａ（幅１０００μｍ、深さ１００μｍ、長さ８．１ｍｍ）が形成されているＰＤＭＳ製第２の遮蔽シート５１Ａを、第３の穴４５及び第４の穴４７と位置合わせさせて外殻２３Ａの外壁面に自己吸着させた。
（３）マイクロ流体チップ１のポート７に赤色に着色された油性サンプル液を満たした。その後、このポート７の開口上面にマイクロポンプ２０Ａの下部空間３３の開口を位置合わせさせて、マイクロポンプ２０ＡをＰＤＭＳ基板３に自己吸着させた。
（４）マイクロポンプ２０Ａの中空部上部空間３１内にイオン交換水（イオンを取り除いた蒸留水）にシリカ粒子（粒子径：０．０９μｍ）を濃度１％で分散させたコロイド溶液を駆動液として充填した。また、同じコロイド溶液を注射器で第１の穴３７から注入した。コロイド溶液が第１の穴３７から第１の溝４１Ａを経て第２の穴３９より中空部下部空間３３内に流入するのが確認された。中空部下部空間３３がコロイド溶液で満たされるまでに要した時間は１０秒間であった。
（５）下部空間３３内がコロイド溶液で満たされた時点で、第４の穴４７を封止した。プラス電極２５及びマイナス電極２７にＤＣ電圧１５Ｖを印加したところ、中空部上部空間３１から中空部下部空間３３への電気浸透流が発生し、それに伴い、ポート７内の油性着色液が微細流路５を経てポート９にまで送液されていくのが確認できた。駆動液と油性着色液との間には明瞭な界面が存在していた。
【実施例２】
【００８１】
実施例１におけるマイクロポンプ２０Ａを、実施例１のマイクロ流体チップから剥離し、同じ流路構造を有する別のマイクロ流体チップのポート７の上面に自己吸着させ、実施例１と同じシリカコロイド溶液を用いて送液実験を行ったところ、実施例１と同じ結果が得られた。また、マイクロポンプ２０ＡとＰＤＭＳ基板３との接着界面からの漏液は発生しなかった。このことから、本発明によるマイクロポンプは、マイクロ流体チップにおける外付けマイクロポンプとして有効に繰り返し使用出来ることが理解できる。
【実施例３】
【００８２】
図１０に示されるマイクロポンプ２０Ｅを実施例１に述べた方法と同様な方法で作製した。隔膜６１には厚さ０．３ｍｍのポリプロピレン製のドーム状の形状をしたフィルムを使用した。このフィルムを合成樹脂製のリングで下部空間下端内壁面に定着させた。マイクロ流体チップ１のポート７に赤色に着色された生理食塩水を満たした。その後、このポート７の開口上面にマイクロポンプ２０Ｅを載置した。このとき、隔膜６１は下部空間３３内に入り込むように変形させておいた。実施例１と同様な方法で、マイクロポンプ２０Ｅの上部空間及び下部空間に実施例１で使用されたものと同じ駆動液を充填し、プラス電極２５及びマイナス電極２７にＤＣ電圧１５Ｖを印加したところ、中空部上部空間３１から中空部下部空間３３への電気浸透流が発生し、それに伴い、隔膜６１が徐々に下側に膨らみ、それに応じてポート７内の着色生理食塩水が微細流路５を経てポート９にまで送液されていくのが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明のマイクロポンプは、免疫学的分野、血液学的分野、医学的分野、遺伝子工学的分野、応用生命科学的分野などにおいて、種々の細胞の採取や単離、特定細胞のクローニングや増殖、細胞表面に特定抗原を発現した細胞の分取、細胞膜分子の胴体解析、細胞染色体の解析、尿中の有形成分類の解析などの目的に使用されるマイクロ流体チップで有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明によるマイクロポンプの実施態様の一例の部分概要断面図である。
【図２】図１におけるマイクロポンプの外殻の外壁面に形成される第１の溝の形状の具体例を示す部分概要平面図である。
【図３】第１の遮蔽シート又は第２の遮蔽シートの別の実施態様の概要平面図である。
【図４】図３に示される遮蔽シートを使用した本発明のマイクロポンプの別の実施態様の部分概要断面図である。
【図５】図４に示されるマイクロポンプの部分概要斜視図である。
【図６】第２の遮蔽シートの更に別の実施態様の概要平面図である。
【図７】図６に示される遮蔽シートを使用した本発明のマイクロポンプの別の実施態様の部分概要断面図である。
【図８】本発明によるマイクロポンプの他の実施態様の部分概要断面図である。
【図９】本発明によるマイクロポンプの更に別の実施態様の部分概要断面図である。
【図１０】本発明によるマイクロポンプの更に他の実施態様の部分概要断面図である。
【図１１】本発明によるマイクロポンプをマイクロ流体チップに実装したマイクロポンプ装置の実施態様の一例の構成を示すもので、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。
【図１２】図１１のマイクロポンプの要部を示す部分断面図であり、（ａ）は図１１（ｂ）のａ矢視図、（ｂ）は図１１（ｂ）のｂ矢視図である。
【図１３】図１１のマイクロポンプ装置を用いたポンプシステムを示す概要図である。
【図１４】図１１のマイクロポンプ装置を用いたポンプシステムにおける液フローを模式的に示す図である。
【図１５】本発明による他の実施態様のマイクロポンプ装置及びポンプシステムを示す概要図である。
【図１６】本発明による更に他の実施態様のマイクロポンプ装置及びポンプシステムを示す概要図である。
【図１７】本発明によるマイクロポンプの別の実施態様の部分概要断面図である。
【図１８Ａ】図１７のマイクロポンプの動作を説明する部分概要断面図である。
【図１８Ｂ】図１７のマイクロポンプの動作を説明する部分概要断面図である。
【図１８Ｃ】図１７のマイクロポンプの動作を説明する部分概要断面図である。
【図１９】特許文献３に示される従来のマイクロポンプの一例の部分概要断面図である。
【図２０】図１９に示されるプラス電極２０５及びマイナス電極２０７とこの電極間に間挿された多孔質膜２０９の分解斜視図である。
【図２１】図１９に示される従来のマイクロポンブ２００の或る使用例を示す部分概要断面図である。
【符号の説明】
【００８５】
１  マイクロ流体チップ
３  ＰＤＭＳ基板
５  微細流路
７  ポート
９  ポート
１０  対面基板
２０，２０Ａ〜２０Ｇ  本発明のマイクロポンプ
２３，２３Ａ〜２３Ｅ  外殻
２５  上部電極
２７  下部電極
２９  多孔質膜
３１  上部空間
３３  下部空間
３５  フランジ部
３７  第１の穴
３９  第２の穴
４１，４１Ａ〜４１Ｃ  第１の溝
４３，４３Ａ，４３Ｂ  第１の遮蔽シート
４５  第３の穴
４７  第４の穴
４９，４９Ａ〜４９Ｃ  第２の溝
５１，５１Ａ，５１Ｂ  第２の遮蔽シート
５３，５５  凹陥部
５７  空気出口
５９  液体注入口
６１，６１ａ，６１ｂ  隔膜  
６２  隔膜ホルダー
８３  試料溶液補給路
８５  空気抜き路
８９  試料溶液補給管
９３  試料溶液タンク
１０５  制御装置  
Ｖ１〜Ｖ７  開閉弁
Ｖ８  開放弁  
２００  従来のマイクロポンプ
２０５  プラス電極
２０７  マイナス電極
２０９  多孔質膜
２１１  液体貯留空間
２１３  送液チューブ
２１５  下部空間
２１７  多孔質膜支持体
２１９  開口部
２２１  開口部
２２３  駆動液
２２５  試料液体
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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