(57)【要約】【課題】  マイクロチップに実装した際、切替バルブや逆止弁としても機能することができ、流量の微調整を容易に実施することができる新規なマイクロバルブを提供する。【解決手段】  上面基板と下面基板とからなり、両基板の間に配設された１本以上のマイクロチャネルを有するマイクロチップにおいて、  前記マイクロチャネルの適所に１本以上のマイクロバルブが挿入されており、  該マイクロバルブは厚さの異なる２枚のシート部材からなり、厚さの厚いシート部材には１個以上の凹部と、該凹部に連通する空気流路が配設されており、厚さの薄いシート部材は、前記厚さの厚いシート部材の前記溝及び凹部を遮蔽するように前記厚さの厚いシート部材の表面に接着されており、  前記薄いシート部材の厚さ（Ｔ１）対前記凹部の底部厚さ（Ｔ２）の比（Ｔ１：Ｔ２）が１：２〜１：１０の範囲内であり、    前記凹部の深さ（Ｄ）は前記凹部の底部厚さ（Ｔ２）の１．３倍〜５倍の範囲内であることを特徴とするマイクロチップ。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面基板と下面基板とからなり、両基板の間に配設された１本以上のマイクロチャネルを有するマイクロチップにおいて、
前記マイクロチャネルの適所に１本以上のマイクロバルブが挿入されており、
該マイクロバルブは厚さの異なる２枚のシート部材からなり、厚さの厚いシート部材には１個以上の凹部と、該凹部に連通する空気流路が配設されており、厚さの薄いシート部材は、前記厚さの厚いシート部材の前記溝及び凹部を遮蔽するように前記厚さの厚いシート部材の表面に接着されており、
前記薄いシート部材の厚さ（Ｔ１）対前記凹部の底部厚さ（Ｔ２）の比（Ｔ１：Ｔ２）が１：２〜１：１０の範囲内であり、  
前記凹部の深さ（Ｄ）は前記凹部の底部厚さ（Ｔ２）の１．３倍〜５倍の範囲内であることを特徴とするマイクロチップ。
【請求項２】
前記厚いシート部材及び薄いシート部材がいずれもポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）からなるシリコーンゴム製であることを特徴とする請求項１のマイクロチップ。
【請求項３】
前記マイクロバルブが、前記空気流路に連通する貫通孔を有するアダプタを更に有することを特徴とする請求項１のマイクロチップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は遺伝子解析などの化学／生化学分析などに広く使用されるマイクロ流体制御機構付マイクロチップに関する。更に詳細には、本発明はマイクロチップの基板内に形成された微細流路（マイクロチャネル）や反応容器内における流体の移送を制御するためのマイクロバルブに関する。
【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「マイクロチップ」又は「マイクロ流体デバイス」と呼ばれる。マイクロチップは遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニングなどの化学、生化学、薬学、医学、獣医学分野のみならず、化学工業、環境計測などの幅広い用途に使用できる。常用サイズの同種の装置に比べて、マイクロチップは(1)サンプル及び試薬の使用量が著しく少ない、(2)分析時間が短い、(3)感度が高い、(4)現場に携帯し、その場で分析できる、及び(5)使い捨てできるなどの利点を有する。
【０００３】
従来のマイクロチップ１００は、例えば、図６Ａ及び図６Ｂに示されるように、上面基板１０２に少なくとも１本のマイクロチャネル１０４が形成されており、このマイクロチャネル１０４の少なくとも一端には入出力ポート１０６，１０６が形成されており、基板１０２の下面側に下面基板１０８が接着されている。この下面基板１０８の存在により、ポート１０６，１０６及びマイクロチャネル１０４の底部が封止される。入出力ポート１０６，１０６の主な用途は、(a)試薬や検体サンプルの注入（分注）、(b)廃液や生成物の取り出し、(c)気体圧力の供給（主に、送液のための正圧や負圧の印加）、(d)大気開放（送液時に発生する内圧の分散や、反応で生じたガスの解放）及び(e)密閉（液体の蒸発防止や故意に内圧を発生させる目的のため）などである。
【０００４】
このようなマイクロチップには連続的な流体（例えば、液体又は気体）の流れや、微小液滴の移送を制御する目的で、マイクロチャネルの途中にマイクロバルブが配設されることがある。このようなマイクロバルブは例えば、特許文献１及び特許文献２に記載されている。
【０００５】
特許文献１の図１に記載されているマイクロバルブは、太い第１の導管と、この第１の導管より細径に形成されると共に、一方の端部が第１の導管と連通するように連接された複数本の細管と、この細管より大径に形成されると共に、細管の他方の端部と連通するように連接された第２の導管を有し、細管の内壁面は疎水性に形成されていることからなる。このマイクロバルブによれば、第１の導管内に液体を導入した際に、この液体を境界とした第１の導管側の圧力と第２の導管側の圧力との圧力差に応じて第１の導管内の液体に位置を任意に制御することができる。しかし、特許文献１のマイクロバルブでは、複数本の細管を形成するのが非常に困難であるばかりか、圧力差が大きすぎると細管が破損される危険性がある。また、この細管部分だけを特異的に疎水性にする処理も非常に困難である。更に、特許文献１のマイクロバルブの細管は、逆止弁としての機能は発揮できず、しかもポンプを使用しなければ圧力差を発生させることができないので、流量の微調整は非常に難しかった。
【０００６】
特許文献２の図３に記載されているマイクロバルブは、２つのポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）マイクロ流路チップと１枚のメンブレンからなり、バルブ領域において変位するメンブレンが弁座に離着して作動流体通路を開閉する弁機構を有する。更に、このマイクロバルブでは、バルブ領域において駆動流体の圧力が作用する圧力室を有する駆動流体通路が前記メンブレンに接着して形成されており、圧力室に駆動流体の圧力を給排することによってメンブレンを変位させて弁座と離着させて一方弁として開閉するように構成されている。しかし、特許文献２に記載されているマイクロバルブは、便座に離着するメンブレンが圧力室に向かって片方向に変位するだけなので、バルブ開時のメンブレンと弁座との隙間が不十分であり、流体の流動性が低く脈流が発生する原因となっていた。また、バルブの開閉はできても、流量を微調整することは困難である。更に、駆動流体の圧力はガラスパイプを介して真空ポンプから供給されるので、装置全体が複雑かつ高価となる。
【０００７】
特許文献１及び２に示されるようなマイクロバルブは、アクセスチューブからチップへのフロー系システムとしての使用しか考慮されていない。アクセスチューブを使用するということは、すなわち、外部圧力を使用することであり、その結果、装置が大掛かりになり、構造的にも煩雑になる。更に、特許文献１に記載された発明のように、製造プロセスでシリコンウエハを異方性反応性イオンエッチングで加工する工程が必要な場合、処理時間、反応室容量の限界、スループットの問題などにより大量生産には不向きであり、しかも、使用する反応ガスなどのコスト及び処理時間がかさむため、使い捨てチップにするには不向きな製造方法である。また、特許文献１及び２に示されるようなマイクロバルブは、複数の液体試薬類を順不同に切り換えてマイクロチャネルに供給するような目的には使用できない。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−２７８１３号公報
【特許文献２】特許第３４１８７２７号明細書
【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、マイクロチップに実装した際、切替バルブや逆止弁としても機能することができ、流量の微調整を容易に実施することができる新規なマイクロバルブを提供することである。
【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、上面基板と下面基板とからなり、両基板の間に配設された１本以上のマイクロチャネルを有するマイクロチップにおいて、
前記マイクロチャネルの適所に１本以上のマイクロバルブが挿入されており、
該マイクロバルブは厚さの異なる２枚のシート部材からなり、厚さの厚いシート部材には１個以上の凹部と、該凹部に連通する空気流路が配設されており、厚さの薄いシート部材は、前記厚さの厚いシート部材の前記溝及び凹部を遮蔽するように前記厚さの厚いシート部材の表面に接着されており、
前記薄いシート部材の厚さ（Ｔ１）対前記凹部の底部厚さ（Ｔ２）の比（Ｔ１：Ｔ２）が１：２〜１：１０の範囲内であり、  
前記凹部の深さ（Ｄ）は前記凹部の底部厚さ（Ｔ２）の１．３倍〜５倍の範囲内であることを特徴とするマイクロチップである。
【００１１】
この発明によれば、空気流路を介して凹部に加圧空気を送り込むと、薄いシート部材が風船のように大きく膨隆し、次いで、厚いシート部材も若干膨隆するように変形する。このようにして発生した変形応力差により、凹部の先端部分が厚いシート部材側に向かって屈曲する。この屈曲現象を利用することによりバルブの開閉動作を行わせることができる。マイクロチップのマイクロチャネルに挿入されたマイクロバルブが屈曲してマイクロチャネルを開閉することができる。
【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、前記厚いシート部材及び薄いシート部材がいずれもポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）からなるシリコーンゴム製であることを特徴とする請求項１のマイクロチップである。
【００１３】
この発明によれば、厚いシート部材及び薄いシート部材は空気流路及び凹部以外の箇所では相互に恒久接着することができる。その結果、加圧空気を凹部に送入した際、凹部部分の薄いシート部材だけが選択的に風船様に膨張することができる。
【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、前記マイクロバルブが前記空気流路に連通する貫通孔を有するアダプタを更に有することを特徴とする請求項１のマイクロチップである。
【００１５】
この発明によれば、アダプタの貫通孔を介して空気流路に加圧空気を容易に送入することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のマイクロバルブは空気圧により開閉動作を制御できるため、その操作が簡便であるばかりか、空気圧を調整することにより弁構造を微妙に変化させ、弁の開閉量を制御して流量を微調整することができる。また、本発明のマイクロバルブは切替バルブや逆止弁としても機能することができる。更に、マイクロチップとは別体として作製できるので、製造が容易であり、その結果、低コストを実現することができる。使用後はマイクロチップから取り外して、別の新たなマイクロチップに実装することにより再利用することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は本発明のマイクロバルブの一例の概要平面図であり、図２は図１におけるII-II線に沿った断面図であり、図３は図１に示されるマイクロバルブの駆動状態を示す概要断面図であり、図４は図１に示されるマイクロバルブを実装したマイクロチップの一例の部分概要断面図であり、図５は該マイクロチップにおけるマイクロバルブの駆動状態を示す部分概要断面図である。
【００１８】
図１及び図２に示されるように、本発明のマイクロバルブ１は厚さの厚い第１のシート部材３と厚さの薄い第２のシート部材５とが貼り合わせた２枚構造を有する。厚さの厚い第１のシート部材３には、所定の容積の凹部７と、この凹部７に連通する空気流路９が形成されている。更に、この空気流路９を介して凹部７に加圧空気を送り込むためのアダプタ１１が厚さの薄い第２のシート部材５の上面に定着されている。アダプタ１１には空気流路９に連通する貫通孔１３が配設されている。貫通孔１３には、加圧ポンプ（図示されていない）からのチューブ（図示されていない）などを接続できる。
【００１９】
図３に示されるように、アダプタ１１の貫通孔１３から空気流路９を介して凹部７に加圧空気を送り込むと、薄い第２のシート部材５が風船のように大きく膨隆し、次いで、厚い第１のシート部材３も若干膨隆するように変形する。このようにして発生した変形応力差により、凹部７の先端部分が厚い第１のシート部材３側に向かって屈曲する。この屈曲現象を利用することによりマイクロバルブ１の開閉動作を行わせることができる。屈曲の大きさは印加される圧力に応じて変化する。印加する圧力は４０ｋＰａ〜３００ｋＰａ程度である。印加する圧力が４０ｋＰａ未満では屈曲は殆ど起こらない。３００ｋＰａ超の圧力では、屈曲角度が１８０゜付近で飽和し、むしろマイクロバルブ自体が破壊損傷する危険性が生じる。
【００２０】
本発明のマイクロバルブ１において、第１のシート部材３及び第２のシート部材５は、可撓性で伸縮性のある素材から形成されている。このような素材は例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などのようなシリコーンゴムが好ましい。特に、ＰＤＭＳは表面改質することによりシート同士が恒久接着し、剥離を起こさないので特に好ましい。
【００２１】
本発明のマイクロバルブ１において重要なことは、凹部７における第１のシート部材３の厚さと第２のシート部材５の厚さの比率である。一般的に、凹部７における第２のシート部材５の厚さＴ１と第１のシート部材３の厚さＴ２の比率は、Ｔ１：Ｔ２＝１：２〜１：１０の範囲内であることが好ましい。Ｔ１：Ｔ２が１：２未満の場合、例えば、１：１の場合、第１のシート部材３と第２のシート部材５の伸縮率や変形応力が均等になり、凹部７が真円形の風船のように膨張するだけで屈曲は起こらない。一方、Ｔ１：Ｔ２が１：１０超の場合、例えば、１：１１の場合、第２のシート部材５は膨張しても、第１のシート部材３は殆ど伸縮しないので変形応力は第１のシート部材３には発生せず、寧ろ、第２のシート部材５が破裂する危険性が生じる。
【００２２】
また、凹部７の底部から第２のシート部材５の下面までの深さＤ（以下「凹部７の深さＤ」という）は、第１のシート部材３の厚さＴ２よりも大きいことが必要である。凹部７の深さＤは第１のシート部材３の厚さＴ２よりも１．３倍〜５倍程度大きいことが好ましい。凹部７の深さＤが第１のシート部材３の厚さＴ２よりも１．３倍未満では、屈曲度合いを精密に制御することが困難になる。一方、凹部７の深さＤが第１のシート部材３の厚さＴ２よりも５倍超では、凹部７の容積が大きくなりすぎ、屈曲応答性が低下する。
【００２３】
空気流路９の幅及び高さは適宜選択することができる。例えば、空気流路９の幅は１０μｍ〜５００μｍ程度で、高さは１０μｍ〜３００μｍ程度であることができる。
【００２４】
第１のシート部材３に空気流路９及び凹部７を形成する方法としては、当業者に公知慣用の任意の方法を使用できる。例えば、光リソグラフィー法により作製されたシリコーン鋳型にＰＤＭＳプレポリマーを流し込んで、重合させる方法、又は機械的に刻設する方法などが使用できる。
【００２５】
アダプタ１１を使用する場合、この部材もＰＤＭＳから構成されていることが好ましい。アダプタ１１がＰＤＭＳから構成されている場合、ＰＤＭＳ製の第２のシート部材５の上面にアダプタ１１を恒久接着させることができるからである。しかし、アダプタ１１は他の素材（例えば、熱可塑性合成樹脂など）から構成することもできる。アダプタ１１がＰＤＭＳ以外の素材から構成されている場合、アダプタ１１を第２のシート部材５の上面に固着させるために、必要に応じて接着剤（例えば、エポキシ樹脂）などを使用することもできる。
【００２６】
図４Ａは、本発明のマイクロバルブ１を実装したマイクロチップ２０の一例の部分概要断面図である。マイクロチップ２０は公知慣用のマイクロチップと同様に、上面基板２２と下面基板２４を有し、該基板間にマイクロチャネル（流路）２６を有する。一方の基板側（図４Ａでは上面基板２２側）からマイクロチャネル（流路）２６を閉塞するようにマイクロバルブ１を垂直に挿入する。上面基板２２に開設された挿入孔の上部を封止するため、適当な接着剤又はシーラント２８を使用することができる。図４Ａでは、下面基板２４側に段差が設けられているが、この段差は無くてもよい。
【００２７】
図４Ｂは、マイクロバルブ１の作動状態を示す部分概要断面図である。アダプター１１の貫通孔１３から空気流路９を介して凹部７に加圧空気を送り込むと、薄い第２のシート部材５が風船のように大きく膨隆し、次いで、厚い第１のシート部材３も若干膨隆するように変形する。この膨隆により生じた第２のシート部材５と第１のシート部材３との間の変形応力差により屈曲が生じる。この屈曲を利用することにより、マイクロバルブ１の開閉を行わせることができる。従って、図４Ａに示されるように、加圧空気を送り込まないと、マイクロバルブ１はマイクロチャネル２６を閉状態に維持し、図４Ｂに示されるように、加圧空気を送り込むと、マイクロバルブ１はマイクロチャネル２６を開状態にする。加圧空気の送入を停止し、大気圧に戻せば、マイクロバルブ１は再び図４Ａの状態に復元する。このように、加圧空気の送入・停止により、マイクロバルブ１が屈曲してマイクロチャネル２６を開閉することができる。
【００２８】
図４Ａでは、マイクロバルブ１は上面基板２２側からマイクロチャネル２６に垂直に挿入されているが、下面基板２４側からマイクロチャネル２６に垂直に挿入することもできる。別法として、マイクロバルブ１はマイクロチャネル２６に水平に挿入することもできる。
【００２９】
図５は本発明のマイクロバルブの別の実施態様の概要平面図である。凹部が矩形状ではなく、円形であり、しかも、複数個の円形凹部７−１，７−２が空気流路９で連結されている。このようなマイクロバルブ１Ａは複数個の円形凹部７−１，７−２周辺の変形応力差が錯綜することにより、指の関節のように部分的に異なる屈曲を起こすことができる。これにより、複数本のマイクロチャネルを一つのマイクロバルブで開閉することも可能となる。
【実施例１】
【００３０】
（１）マイクロバルブの作製
常用の光リソグラフィー法に従って、表面に幅約２０μｍ、高さ約２０μｍ、長さ約３００μｍの空気流路用突起と、横幅約２００μｍ、縦幅約１００μｍ、高さ約７０μｍの凹部用突起を有する４インチサイズの鋳型を作製した。この鋳型の表面をフルオロカーボン（ＣＨＦ３）の存在下で反応性イオンエッチングシステムにより処理し、表面にＣＨＦ３剥離膜を形成した。マスターの剥離膜形成面上に、ＰＤＭＳプレポリマー混合液として、米国のダウ・コーニング社製のSYLGARD 184 SILICONE ELASTOMERを厚さ鋳型にモールドし、Ｎ２スプレーで０．５ｍｍ厚付近になるまで引きのばし、加温（６５℃、４時間）した。４時間経過後、オーブンから取り出し、厚さ約１２０μｍのＰＤＭＳ製の第１のシート部材を鋳型から剥離した。凹部の底面厚さは約５０μｍであった。厚さ約２０μｍのＰＤＭＳ製の第２のシート部材を準備した。第２のシート部材の適所には予め貫通孔を穿設しておいた。常法に従って両シートを表面改質した後、第２のシート部材の貫通孔を第１のシート部材の空気流路の端部と位置合わせしてから、第１のシート部材の上面に第２のシート部材を恒久接着させた。その後、予め作製しておいたアダプタを、アダプタの貫通孔と第２のシート部材の貫通孔を位置合わせした両部材を恒久接着させた。
（２）マイクロバルブ実装マイクロチップの作製
幅約２００μｍ、高さ約４００μｍのマイクロチャネルと、このチャネルの両端に内径約２ｍｍの開口ポートを有するマイクロチップを常法に従って作製した。上面基板の外表面側から貫通孔を穿設し、この貫通孔から前記（１）で作製されたマイクロバルブを挿入した。マイクロバルブと貫通孔との外部界面にエポキシ樹脂接着剤を塗布し、貫通孔を封止し、図４Ａに示されるようなマイクロバルブ実装マイクロチップを作製した。
（２）送液確認試験
前記（２）で作製されたマイクロチップのマイクロバルブのアダプタに空気圧印加用のチューブを接続した。一方のポートから赤色に着色された精製水を強制注入したところ、マイクロバルブのところで遮断された。マイクロバルブのアダプタに接続されたチューブから加圧空気を送入すると、マイクロバルブが徐々に屈曲を始め、約１００ｋＰａの印加圧力でマイクロバルブ底部とマイクロチャネル底部との間に隙間が生じ、この隙間を通して着色液が他方のポートに押し出されてきた。マイクロバルブの印加圧力を大気圧に戻すと着色液は他方のポートへは押し出されて来なくなった。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明のマイクロバルブを利用したマイクロチップは医学、獣医学、歯科学、薬学、生命科学、食品、農業、水産など様々な分野で活用できる。特に、蛍光抗体法、in situ Hibridization等に最適なマイクロチップとして、免疫疾患検査、細胞培養、ウィルス固定、病理検査、細胞診、生検組織診、血液検査、細菌検査、タンパク質分析、ＤＮＡ分析、ＲＮＡ分析などの広範な領域で使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明のマイクロバルブの一例の概要平面図である。
【図２】図１におけるII-II線に沿った断面図である。
【図３】図１に示されるマイクロバルブの駆動状態を示す概要断面図である。
【図４Ａ】本発明のマイクロバルブ１を実装したマイクロチップ２０の一例の部分概要断面図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示されたマイクロバルブ１の作動状態を示す部分概要断面図である。
【図５】本発明のマイクロバルブの別の実施態様の概要平面図である。
【図６Ａ】従来のマイクロチップの一例の概要平面図である。
【図６Ｂ】図６ＡにおけるＢ−Ｂ線に沿った概要断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  本発明のマイクロバルブ
３  第１のシート部材
５  第２のシート部材
７  凹部
９  空気流路
１１  アダプタ
１３  貫通孔
２０  マイクロチップ
２２  上面基板
２４  下面基板
２６  マイクロチャネル
１００  従来のマイクロチップ
１０２  上面基板
１０４  マイクロチャネル
１０６  ポート
１０８  下面基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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