(57)【要約】マイクロチャネルからなる流路と、該流路に連結されたリアクターと、該流路又はそれに連結されたリアクター内に、試料を送受液する注入口と、該リアクターから反応後の試料を回収する送出口とを備えた第１の基板と、該注入口及び／又は該送出口に対応するように、少なくとも１つ以上のマイクロポンプが形成された第２の基板からなり、該マイクロポンプは、セラミックスから形成されたキャビティを内面に有する基体と、同基体の外表面に形成された電極及び圧電／電歪層と、少なくとも２つ以上の連結口とを備えたものであり、そして、第１と第２の基板が貼り合わされ、一体化成形されたマイクロリアクターである。【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロチャネルからなる流路と、該流路に連結されたリアクターと、該流路又はそれに連結されたリアクター内に、試料を送受液する注入口と、該リアクターから反応後の試料を回収する送出口と、を備えた第１の基板に、該注入口及び／又は該送出口に対応するように、少なくとも１つ以上のマイクロポンプが一体形成された第２の基板を貼り合わせ一体化させたマイクロリアクターであって、
該マイクロポンプが、セラミックスから形成されたキャビティを内面に有する基体と、
該基体の外面上に膜形成法によって形成された電極及び圧電／電歪層を備えた圧電／電歪作動部と、
該圧電／電歪作動部により該キャビティ内に発生した圧力で、該キャビティ内の該試料を送受液する少なくとも２つ以上の連結口と、
を備えることを特徴とするマイクロリアクター。
【請求項２】
第１の基板が、予め注入口及び／又は送出口の配設可能位置を規格化して備えた請求項１に記載のマイクロリアクター。
【請求項３】
第２の基板が、第１の基板の注入口及び／又は送出口の数より多いマイクロポンプを備えた請求項１に記載のマイクロリアクター。
【請求項４】
第２の基板が、少なくとも２つ以上のマイクロポンプが連結されたマイクロポンプを備えた請求項１に記載のマイクロリアクター。
【請求項５】
第２の基板が、第１の基板の全面又は部分的に貼り合わされている請求項１に記載のマイクロリアクター。
【請求項６】
第１の基板と第２の基板との貼り合わせ界面部の厚さが、０．１〜１０μｍである請求項１に記載のマイクロリアクター。
【請求項７】
第１の基板の材質が、プラスチックであり、且つ第２の基板の材質が、セラミックスである請求項１に記載のマイクロリアクター。
【請求項８】
第１の基板及び第２の基板の材質が、セラミックスである請求項１に記載のマイクロリアクター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、マクロ流体デバイスシステムで用いられるマイクロリアクターに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  現在、マイクロリアクター、ケミカルチップ、バイオチップ、Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ、ナノチップ等、非常の少量の溶液を使用し、反応、分離、分析を行う技術が盛んである。特に、多数の生化学反応を並列的に行うためには、マイクロリアクターを利用する技術が提案されている（特開平１０−３３７１７３号公報参照）。このマイクロリアクターは、マイクロ領域での化学反応実験、薬品の開発、人工臓器開発、ゲノム・ＤＮＡ解析ツール、マイクロ流体工学の基礎解析ツール等に利用されている。【０００３】  マイクロリアクターを用いた化学反応は、例えば、装置全体が小さいため、装置全体を熱効率が極めて高く、温度制御を必要とする反応でもマイクロリアクターを利用すれば、温度制御を容易に行うことができる利点があり、精密な温度制御を必要とする反応や急激な加熱又は冷却を必要とする反応であっても容易に行うことができる。また、マクロリアクターは、微小空間中で反応が行われ、例えば、有機溶媒と水との液・液界面や、液体と器壁との固・液界面では、何れの場合も液体の体積と比較して、界面の面積の割合が非常に大きいため、分子の移動速度が速く、不均一反応を効率良く行うことができる。【０００４】  更に、マイクロリアクターは、リアクター（反応槽）の容積が微小であり、反応に用いる試料（反応試薬やサンプル等）の量やコストを抑制することができ、生成物の分析能力の限界まで反応スケールを小さくすることで、環境への影響を小さくすることができる。【０００５】  以上のようなマイクロリアクターは、チャネル（流路）やリアクター（反応槽）を形成した基材と、別途作成した溶液の注入口や送出口等を形成した基材とを、超音波、熱、圧力、化学的処理により接着することにより、主な外観形状が作成される。このとき、上記基材の材質は、通常、シリコン、石英ガラス、ホウ珪酸ガラスやセラミックス等の無機物、または、ポリカーボネート、ポリアクリルアミド等のプラスチック、シリコンゴムや珪素樹脂等の有機物から形成されている。【０００６】  また、上記基材は、ドライエッチングやウエットエッチング等の化学処理、若しくは、レーザー、アトムビーム、イオンビーム等によるエネルギー線処理により、微小なチャネル（流路）やリアクター（反応槽）が形成される。また、マイクロリアクターがプラスチックの場合、流路に該当する凸部を形成した金型に溶融した樹脂を流し込む、射出成形法を使用することも出来る。【０００７】  チャネル（流路）幅は、用途によって異なるが、通常、４０〜５００μｍ程度である。更に、チャネル（流路）幅が２〜４０μｍ程度の微小流路が設けられることがある。尚、チャネル（流路）深さは、通常、０．６〜５００μｍである。【０００８】  以上のように、マイクロリアクターは、チャネル（流路）やリアクター（反応槽）の容積が微小であるため、通常の反応容器とは異なる分子のハンドリングが要求される。このため、従来のマイクロリアクターでは、主に、マイクロポンプ、電気泳動、等の送液手段により、チャネル（流路）やリアクター（反応槽）に試料を送液することが行われているが、微小且つ複雑なチャネル（流路）を持つマイクロリアクターにおいては、上記送液手段���正確且つ迅速な流量制御と吐出量の増減が困難であった。【０００９】  特に、従来のマイクロポンプを使用した場合、駆動部とキャビティ部とが別体のポンプ構造であり、ポンプ構造体自体の剛性が高くないため、ポンプの共振周波数が十分高くできないことと、駆動時にガタツキが発生し易く、精密制御（例えば、流路内の液体、場合によっては固体を輸送、振動（総称するなら駆動））する場合、輸送であれば高速に、振動であれば高い周波数で駆動させることができなかった。また、マイクロリアクターに複数個の送液手段を集積化する場合、送液手段を個々に取り付けていたので、集積率が上がらないだけでなく、生産性も悪いという問題点があった。
【発明の開示】
【００１０】  本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、チャネル（流路）内への吐出力に優れ、且つ瞬時に送受液を精密な精度で制御することができる複数個のマイクロポンプを集積化できるとともに、集積化されたマイクロポンプが一体形成されたマイクロポンプユニットと、チャネル（流路）、リアクター（反応槽）、注入口及び送出口を主に備えたリアクターユニットとを別々に製造後、貼り合わせることにより、生産性及び汎用性に優れたマイクロリアクターを提供することにある。
【００１１】  すなわち、本発明によれば、マイクロチャネルからなる流路と、該流路に連結されたリアクターと、該流路又はそれに連結されたリアクター内に、試料を送受液する注入口と、該リアクターから反応後の試料を回収する送出口と、を備えた第１の基板に、該注入口及び／又は該送出口に対応するように、少なくとも１つ以上のマイクロポンプが一体形成された第２の基板を貼り合わせ一体化させたマイクロリアクターであって、該マイクロポンプが、セラミックスから形成されたキャビティを内面に有する基体と、該基体の外面上に膜形成法によって形成された電極及び圧電／電歪層を備えた圧電／電歪作動部と、該圧電／電歪作動部により該キャビティ内に発生した圧力で、該キャビティ内の該試料を送受液する少なくとも２つ以上の連結口と、を備えることを特徴とするマイクロリアクターが提供される。
【００１２】  このとき、本発明では、第１の基板が、予め注入口及び／又は送出口の配設可能位置を規格化して備えていることが好ましい。また、本発明では、第２の基板が、第１の基板の注入口及び／又は送出口の数より多いマイクロポンプを備えていてもよく、第２の基板が、少なくとも２つ以上のマイクロポンプが連結されたマイクロポンプを備えていてもよい。更に、本発明では、第２の基板が、第１の基板の全面又は部分的に貼り合わされていることが好ましい。ここで、第１の基板と第２の基板との貼り合わせ界面部の厚さは、０．１〜１０μｍであることが好ましい。尚、本発明では、第１の基板の材質が、プラスチックであり、且つ第２の基板の材質が、セラミックスであることが好ましい。また、第１の基板及び第２の基板の材質は、セラミックスであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明のマイクロリアクターの一例を示す正面図である。
【図２】図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図３は、本発明で用いる第２の基板の一例を示す要部拡大断面図である。
【図４（ａ）】図４（ａ）は、本発明で用いるマイクロポンプユニットの一例の正面図である。
【図４（ｂ）】図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図５（ａ）】図５（ａ）は、本発明で用いるマイクロポンプユニットの他の例の正面図である。
【図５（ｂ）】図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図５（ｃ）】図５（ｃ）は、図５（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図６】図６は、本発明で用いるマイクロポンプの一例を示す縦断面説明図である。
【図７（ａ）】図７（ａ）は、本発明のマイクロポンプの模式断面図である。
【図７（ｂ）】図７（ｂ）は、従来のマイクロポンプの模式断面図である。
【図８】図８は、本発明で用いる第２の基板の他の例を示す要部拡大断面図である。
【図９】図９は、本発明のマイクロリアクターの一例を示す正面図である。
【図１０】図１０は、図９のＡ−Ａ断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】  本発明のマイクロリアクターは、マイクロチャネルからなる流路と、流路に連結されたリアクターと、流路又はそれに連結されたリアクター内に、試料を送受液する注入口と、リアクターから反応後の試料を回収する送出口と、を備えた第１の基板に、注入口及び／又は送出口に対応するように、少なくとも１つ以上のマイクロポンプが一体形成された第２の基板を貼り合わせ一体化させたマイクロリアクターであって、マイクロポンプが、セラミックスから形成されたキャビティを内面に有する基体と、基体の外面上に膜形成法によって形成された電極及び圧電／電歪層を備えた圧電／電歪作動部と、圧電／電歪作動部によりキャビティ内に発生した圧力で、キャビティ内の試料を送受液する少なくとも２つ以上の連結口とを備えたものである。【００１５】  このとき、本発明のマイクロリアクターの主な特徴は、第２の基板（マイクロポンプユニット）に形成するマイクロポンプとして、セラミックス一体型ポンプを採用することにある。これにより、１個ずつのポンプを組み付けるといった精密組立を必要とせず、セラミックス基板にテープ成形・金型打ち抜き、圧電／電歪体・電極は印刷・スパッタ等の製膜プロセスを取ることができ、一度に多数のポンプを基板上に形成することができるだけでなく、大量生産にも適している。【００１６】  また、本発明のマイクロリアクターの主な特徴は、第１の基板（リアクターユニット）として、プラスチックを採用することにある。これにより、本発明で用いる第１の基板（リアクターユニット）は、ＤＮＡ等親水性の生体物質が流路（チャネル）や反応槽（リアクター）の表面に吸着することがないため、取り扱いに適しているとともに、流路（チャネル）が閉塞したり、試料の流れを阻害することがなく、大量生産にも適している。【００１７】  更に、本発明のマイクロリアクターの主な特徴は、大量生産された第１の基板（リアクターユニット）及び第２の基板（マイクロポンプユニット）を組み合わせるだけで、多品種少量の最終製品に対応することができることにある。このとき、第１の基板（リアクターユニット）は、予め注入口及び／又は送出口の配設可能位置を規格化して備えた基板であり、また、第２の基板（マイクロポンプユニット）は、予め第１の基板の注入口及び／又は送出口の数より多いマイクロポンプを備えた基板であるため、それぞれの基板が個別に設計（反応系が変更になる等）変更があっても容易に対応することができる。【００１８】  以上のことから、本発明のマイクロリアクターは、チャネル（流路）幅が２〜５００μｍ（特に、２〜４０μｍ）であるチャネル（流路）内への吐出力に優れ、且つ瞬時に送受液を精密な精度で制御することができる複数個のマイクロポンプを集積化できるとともに、集積化されたマイクロポンプが一体形成されたマイクロポンプユニットと、チャネル（流路）、リアクター（反応槽）、注入口及び送出口を主に備えたリアクターユニットとを別々に製造後、貼り合わせることにより、生産性及び汎用性に優れている。【００１９】  以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。【００２０】  図１は、本発明のマイクロリアクターの一例を示す正面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。本発明のマイクロリアクターは、図１及び図２に示すように、マイクロチャネルからなる流路５，９と、流路５に連結されたリアクター６と、流路５，７又はそれに連結されたリアクター６内に、試料を送受液する注入口８と、リアクター６から反応後の試料を回収する送出口９と、を備えた第１の基板２に、注入口８及び／又は送出口９に対応するように、少なくとも１つ以上のマイクロポンプ１０が一体形成された第２の基板（マイクロリアクタユニット１４）３０を貼り合わせ一体化させたものである。尚、上記マイクロリアクタユニット１４には、マイクロポンプ１０へ試料を供給する貯槽４０，４２と、リアクター６から試料を収容する収容槽４４がそれぞれ配設されている。【００２１】  本発明で用いる第１の基板（リアクターユニット）は、図２に示すように、基体の長手方向に一列に形成された、マイクロチャネルからなる２つの流路５と、同流路５に連結されたリアクター６と、試料を送受液する２つの注入口８と、リアクター６から反応後の試料を回収する一つの送出口９とを備えている。各注入口は、流路５の各端部に設けられており、流路５を介してリアクター６に連結されている。このとき、本発明で用いる第１の基板は、予め注入口及び／又は送出口の配設可能位置を規格化して備えたものであることが好ましい。尚、注入口及び／又は送出口の配設可能位置とは、例えば、予め所定の範囲を区画したものである。【００２２】  更に、注入口及び／又は送出口の配設が決定した場合、次の作業を容易にするため、その区画に対応した位置を更にマーキングすることが好ましい。尚、第１の基板の材質は、プラスチックから形成されていることが好ましい。これは、第１の基板の材質としてプラスチック（例えば、表面処理をしていない樹脂）を用いた場合、その表面が疎水性であることが多く、ＤＮＡ等親水性の生体物質が表面に吸着することがなく取り扱いに適しているからである。【００２３】  本発明で用いる第１の基板は、特に限定されないが、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）から形成されていることが好ましい。【００２４】  また、第１の基板は、ジルコニアの他、シリコン、ガラス、アルミナ等のセラミックスから形成されていてもよい。この場合、得られた流路やリアクター内面を疎水性に改質しておくことが重要である。これは、一般にセラミックスの表面には末端基としてＯＨ基が出ていることが多く、親水性が高いことが知られており、ＤＮＡ等の生体物質を取り扱う場合、前記生体物質が親水性であり化学的親和力によりセラミックス表面に吸着し易く、微細流路内での吸着の影響は流路径が小さいため相対的に大きく、流れが阻害されるだけでなく、極端なケースでは流路を閉塞してしまうことがあるからである。【００２５】  次に、本発明で用いる第１の基板（リアクターユニット［被移動流体移動デバイス］）の流路（溝）形成方法について詳細に説明する。【００２６】（１）基板の材料がセラミックスである場合、セラミックシートに打ち抜き加工を施してスリットを形成し、このセラミックシートを挟むようにセラミックシートを積層・一体化することにより流路を形成することができる。【０��２７】（２）基板の材料がガラス或いはシリコンである場合、等方性エッチングや異方性エッチングにより流路を形成することができる。【００２８】（３）基板にレーザー加工により流路を形成することもできる。【００２９】（４）基板にエンドミルを用いた機械加工（マシニング）を行い、流路の一部を構成する溝を形成してもよい。【００３０】（５）基板にサンドブラストを行い、流路の一部を構成する溝を形成してもよい。【００３１】（６）凹凸を有する金型を高温とし、その高温の金型を基板の表面に押し付けること（即ち、ホットエンドボス）により、流路の一部を構成する溝を形成してもよい。【００３２】（７）精密射出成形により基板上に流路を形成してもよい。【００３３】但し、上述した（４）マシニング加工や（５）サンドブラストを用いて溝を形成すると、溝の角部にマイクロクラックと呼ばれる加工傷が発生し、クラックがそのマイクロクラックを起点として進展し、このクラックにより基体（基材）が破損する場合がある。また、残留応力が基材内に発生することがある。【００３４】  これに対しては、以下の対策を採用することが望ましい。【００３５】（クラック抑止方法）【００３６】（１）基板に対してヒーリング処理（熱処理、アニール処理）を施し、表面に発生しているマイクロクラックを閉じる（消滅させる）とともに、残留応力を開放する。【００３７】（２）上記溝の表面にコーティング層を形成し、コーティング層によりクラックを覆うようにして閉じる。より具体的に述べると、流動性の高い紫外線硬化型のアクリル樹脂に基体をディッピングなどを用いて溝の表面にコーティング層を形成し、アクリル樹脂を硬化する前にエアーもしくはスピンコーターで、マイクロクラックを埋め、余剰なアクリル樹脂を除去する。【００３８】  このコーティング層に紫外線を照射してコーティング層を硬化させることにより、アクリル樹脂がクラック内に浸透し、滑らかな溝表面が形成される。また、本発明で用いる第１の基板は、熱膨張係数が基板の熱膨張係数よりも小さい材料を用いて溝の表面をコーティングしてもよい。これにより、溝表面に圧縮応力が加わるので、クラックの進展を阻止することができる。更に、本発明で用いる第１の基板は、表面被覆方法としてスパッタ法を用いてテフロン（登録商標）をコーティングすることもできる。これにより、テフロン（登録商標）被覆層により被移動体の移動速度を高速化することもできる。【００３９】  次に、本発明で用いる第２の基板は、例えば、図１及び図２に示すように、複数個のマイクロポンプ１０が一体形成されたマイクロポンプユニット１４が採用されている。これにより、本発明で用いる第２の基板は、第１の基板の注入口及び／又は送出口のパターンに応じて一括取り付けが可能である。【００４０】  また、本発明で用いるマイクロポンプユニットにおけるマイクロポンプの形状及び配置は、特に限定されず、例えば、図４（ａ）（ｂ）に示すように、円形のマイクロポンプ１０を縦横に整列したり、図５（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、略楕円形のマイクロポンプ１０を縦横に整列することができる。即ち、本発明で用いるマイクロポンプユニットは、マイクロポンプの性能や設計に応じてマイクロポンプの形状及び配置の変更が容易であるとともに、複数個のマイクロポンプを容易に集積化することができる。【００４１】  更に、本発明で用いるマイクロポンプユニットは、第１の基板の注入口及び／又は送出口の数より多いマイクロポンプを備えていてもよく、少なくとも２つ以上のマイクロポンプが連結されたマイクロポンプを備えていてもよい。これにより、本発明で用いる第２の基板（マイクロポンプユニット）は、第１の基板の注入口及び／又は送出口の配置が設計変更で変わってしまっても、容易に対応することができるとともに、（例えば、サポートユニット（後述）を用いて、マイクロポンプユニットに形成された既存のマイクロポンプを連結することにより、）マイクロポンプの吐出量も自在に調整することができる。【００４２】  ここで、本発明で用いるマイクロポンプは、図６に示すように、セラミックスから形成されたキャビティ４８を内面に有する基体６８と、基体１２の外面（振動部６６）上に膜形成法によって形成された電極７５，７７及び圧電／電歪層７３を備えた圧電／電歪作動部７８と、圧電／電歪作動部７８によりキャビティ４８内に発生した圧力で、キャビティ４８内の試料を送受液する少なくとも２つ以上の連結口１８と、を備えたものである。【００４３】  次に、本発明のマイクロリアクターは、第２の基板が、第１の基板の全面（図１参照）又は部分的（図示せず）に貼り合わされ、一体化されていることが好ましい。特に、第２の基板の大きさをマイクロポンプ１０の設置に必要最小限の大きさにすることにより、第１の基板（リアクターユニット）からの化学反応の検出や光化学反応を妨げることがないため好ましい。また、本発明のマイクロリアクターは、第２の基板に光学検出を妨げないような貫通穴を適宜設けても良い。【００４４】  本発明で用いる第２の基板は、第１の基板の注入口及び／又は送出口の配設可能位置の一部又は全てに、予めマイクロポンプを備えることが好ましく、また、第１の基板の注入口及び／又は送出口の数より多いマイクロポンプを備えていることが好ましい。これは、チャネル（流路）やリアクター（反応槽）のパターンの設計変更により、注入口や送出口の設置個所の変更に柔軟に対応することができるとともに、多品種の第１の基板（リアクターユニット）に柔軟に対応できるからである。【００４５】  ここで、本発明で用いるマイクロポンプは、例えば、図７（ａ）に示すように、マイクロポンプユニット１２とサポートユニット２０とを接合する場合、接合部が連結口１８の断面積×圧力分の力しか掛からないため、マイクロポンプ１０を駆動した時に発生する基板１２，２０同士の引き剥がし力を大幅に低減することができ、基板１２，２０同士の界面部を構成する接合材（例えば、接着剤）を必要最小限にすることが可能であり、基板１２，２０同士をより確実に一体化することができる。【００４６】  一方、従来のマイクロポンプは、例えば、図７（ｂ）に示すように、マイクロポンプユニット１２とサポートユニット２０とを接合する場合、接合部が、キャビティ４８で直接覆われている形になっている。このため、マイクロポンプ１０を駆動した場合、キャビティ４８内部が増圧され、その圧力がキャ���ティ４８の断面積（サポートユニット２０との接触部）全体に伝わるため、接合部に掛かる引き剥がし力が非常に大きく、基板同士の接合部に十分な強度を付与するため、接合部の面積を大きくする必要があるが、基板同士を一体化することが困難であるだけでなく、耐久性を十分に得ることができないという問題点があった。【００４７】  また、本発明で用いるマイクロポンプは、セラミックス一体構造であるため、剛性が高く、大きな吐出力を発生させた場合であっても、耐久性に優れているだけでなく、圧力を損失させることなく、試料を送受液することができる。このため、本発明で用いるマイクロポンプは、例えば、２μｍ〜４０μｍの微小な流路幅を有するチャネルに試料を流す場合に、必要な吐出力を与えるために、好適に用いることができる。【００４８】  更に、本発明で用いるマイクロポンプは、圧電／電歪体が電圧信号に応じて瞬時に変形することにより、ポンプ内容積を瞬時に変化させ、吐出力を発生することができるため、送受液可能な複数個のマイクロポンプを、高精度且つ一括して制御することができる。【００４９】  尚、本発明で用いるマイクロポンプは、以下に示す用途にも好適に用いることができる。【００５０】（１）ＤＮＡマイクロアレイのハイブリダイゼーション
本発明のマイクロポンプは、ＤＮＡマイクロアレイのハイブリダイゼーション反応促進に使用することにより、マイクロアレイのハイブリダイゼーション溶液をマイクロチャネル内で撹拌することができるため、ハイブリダイゼーション時間を大幅に短縮することが出来る。【００５１】  ここで、本発明のマイクロポンプは、高剛性なセラミックス一体型ポンプであるため、ポンプの高速駆動（振動）が可能である。これにより、本発明のマイクロポンプは、マイクロチャネル内に高速の水の流れを発生させ、水相の撹拌を促進することができるため、微小な撹拌であっても、通常の分子拡散だけでは達成できない分子の局在を解消することができるとともに、マイクロチャネルの内容積を小さくできるので、ハイブリダイゼーション溶液が少量で済む利点がある。【００５２】  また、本発明のマイクロポンプは、ハイブリダイゼーションを行うマイクロチャネル内に溶液を噴射することもできるため、高速な水流により、ハイブリダイゼーション反応を促進することもできる。【００５３】  以上のことから、本発明のマイクロポンプは、ＤＮＡマイクロアレイに適用することにより、反応促進によりハイブリダイゼーション効率を高め、蛍光強度が増大し、コストの削減、データの信頼性向上に大きく寄与することができる。【００５４】（２）液体クロマトグラフィー（高速液体クロマトグラフィー［ＨＰＬＣ］）
本発明のマイクロポンプは、チップ上に形成したマイクロチャネルを利用して微量成分で分析が可能なマイクロＨＰＣＬ用のポンプとして使用することができる。尚、本発明のマイクロポンプは、定常流を送ることができる（高圧の）送液ポンプとマイクロチャネルとの間に設置する。【００５５】  ここで、本発明のマイクロポンプは、高剛性なセラミックス一体型ポンプであるため、圧電／電歪体（圧電／電歪作動部）に与える電圧パルス信号の周波数を変化させることにより、送液流に振動を加味した変調（モジュレーション）を加えることができる。なお、本発明において、圧電／電歪体は膜型であれば、製造コストや集積度等の点で特に好ましいものではあるが、これに限定されるものではないことは言うまでもない。特にハイブリダイゼーション反応が利用される、ＤＮＡマイクロアレイのごとき用途、あるいは液体クロマトグラフィーへの適用の場合は膜型以外の態様が適用可能である。【００５６】  ここで、ハイブリダイセーション反応が利用される用途、あるいは液体クロマトグラフィーへの適用を考慮した場合、圧電／電歪作動部以外を備えていてもよい。即ち、かかる場合には、マイクロチャネルからなる流路と、該流路に連結されたリアクターと、該流路又はそれに連結されたリアクター内に、試料を送受液する注入口と、該リアクターから反応後の試料を回収する送出口と、を備えた第１の基板に、該注入口及び／又は該送出口に対応するように、少なくとも１つ以上のマイクロポンプが一体形成された第２の基板を貼り合わせ一体化されており、該マイクロポンプが、セラミックスから形成されたキャビティを内面に有する基体と、該基体の外面上に圧力付与手段を備え、該圧力付与手段により該キャビティ内に発生した圧力で、該キャビティ内の該試料を送受液する少なくとも２つ以上の連結口とを備えていればよい。ここで、圧力付与手段とは、例えば圧電／電歪体であり、膜型の圧電／電歪層であるとより好ましいがこれに限定されるものではなく、例えば、多層構造を有するバルク状の圧電／電歪体であっても、静電気力や磁力、気体の加熱による熱膨張を利用するものでも良い。【００５７】  例えば、被分析物質が高分子である場合、本発明のマイクロポンプを用いることにより、与えられた振動数に応じて、共振現象が起こり、カラム内を流れる高分子の速度が高分子の物理的な形状の応じて変化するため、カラム内の吸脱着速度が変調され、従来、分子構造のわずかな違いでは分離することができなかった高分子の分離が可能である。また、本発明のマイクロポンプを用いることにより、例えば、被分析物質が高分子である場合、送液流に対して変調を掛けることで、高分子の構造によりマイクロチャネル内を進む速度に差を生じさせることができるため、この速度差を利用して高分子の精密分離も可能である。【００５８】  尚、高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）とは、混合物中の成分を固定相や移動相との相互作用の差により相互に分離するクロマトグラフィー手法の内、微小粒径の固定相を充填したカラムを使用し、移動相を高圧で送液する液体クロマトグラフィーであり、分離度が高く、分析時間が短い方法である。【００５９】  次に、マイクロポンプユニットの作��方法について、図６に基づいて詳細に説明する。まず、セラミックス原料からそれぞれ作製された（連結口１８が配置された）基板層、（キャビティ４８が配置された）スペーサ層、（振動部６６を構成する）薄板層を順に積層・一体化することにより、所定の位置にキャビティ４８と連結口１８が形成された基体６８を作製する。【００６０】  尚、本発明で用いるマイクロポンプユニットの材質は、特に限定されないが、所定の化合物で結晶相が部分安定化乃至は完全安定化された酸化ジルコニウムが主成分であることが好ましい。ここで、用語「主成分」とは、材料中で、所望とする機能及び／又は役割を発揮する成分としての働きをする成分をいう。これにより、マイクロポンプユニットは、薄い板厚においても機械的強度および靭性を有利に確保することができると共に、相対的に低作動電圧にて大変位が得られ、しかも速い応答速度と大きな発生力を得ることができる。【００６１】  尚、「部分安定化乃至は完全安定化された酸化ジルコニウム」とは、熱や応力等が加えられた時に結晶変態が部分的に或いは全く起こらないように、結晶層を部分的に或いは完全に安定化せしめた酸化ジルコニウムを含むものである。【００６２】  この酸化ジルコニウムを安定化する化合物としては、酸化イットリウム、酸化セリウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウムがあり、少なくともそのうちの一つの化合物を単体で若しくは組み合わせて添加、含有せしめることにより、酸化ジルコニウムは部分的に或いは完全に安定化されることとなる。更にまた、それぞれの化合物の添加含有量としては、酸化イットリウムに関しては２モル％〜７モル％、酸化セリウムに関しては６モル％〜１５モル％、酸化マグネシウム、酸化カルシウムに関しては５モル％〜１２モル％とすることが好ましいが、その中でも、特に酸化イットリウムを部分安定化剤として用いることが好ましく、その場合においては２モル％〜７モル％、更に好ましくは２モル％〜４モル％とすることが望ましい。【００６３】  そのような範囲で酸化イットリウムを添加・含有せしめてなる酸化ジルコニウムは、その主たる結晶相が正方晶若しくは主として立方晶と正方晶からなる混晶において部分安定化され、優れた基板特性を与えることとなる。また、その正方晶を安定に存在させ、大きな基板強度が得られる為には、基板の平均結晶粒子径も重要となる。即ち、平均粒子径として、０．０５μｍ〜２μｍであることが好ましく、更に好ましくは１μｍ以下であることが望ましい。【００６４】  そして、このような基体６８の（振動部６６）外面上に、所定の電極膜（上下電極）７５，７７および圧電／電歪層７９が、公知の各種の膜形成法、例えば、スクリーン印刷、スプレー、ディッピング、塗布等の厚膜形成手法、イオンビーム、スパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティング、ＣＶＤ、メッキ等の薄膜形成手法によって形成されることとなる。尚、それらの膜形成は、基体６８の焼結前に行なうことも、或いは焼結後に行なうことも可能である。【００６５】  また、このようにして第２の基板（基体６８）上に膜形成されたそれぞれの膜（電極膜７５，７７および圧電／電歪層７９）は、必要に応じて熱処理されることとなるが、かかる熱処理は��それぞれの膜形成の都度、行なっても良く、或いは全部の膜を形成した後、同時に行なっても良い。更に、電極膜７５，７７の間の絶縁信頼性を向上させるために、必要に応じて、隣合う圧電／電歪層７９，７９の間に絶縁樹脂膜を形成しても良い。【００６６】  また、かかる圧電／電歪作動部を構成する電極膜７５，７７の材料としては、熱処理温度並びに焼成温度程度の高温酸化雰囲気に耐えられる導体であれば、特に規制されるものではなく、例えば金属単体であっても、合金であっても良く、また絶縁性セラミックスやガラス等と、金属や合金との混合物であっても、更には導電性セラミックスであっても、何等差し支えない。より好ましくは、白金、パラジウム、ロジウム等の高融点貴金属類、或いは銀−パラジウム、銀−白金、白金−パラジウム等の合金を主成分とする電極材料が好適に用いられる。【００６７】  また、圧電／電歪作動部を構成する圧電／電歪層７９の材料としては、圧電或いは電歪効果等の電界誘起歪を示す材料であれば、何れの材料であっても採用され得るものであり、結晶質の材料であっても、非晶質の材料であっても良く、また半導体材料であっても、誘電体セラミックス材料や強誘電体セラミックス材料であっても、何等差し支えなく、更には分極処理が必要な材料であっても、またそれが不必要な材料であっても良いのである。【００６８】  更に、本発明に用いられる圧電／電歪材料としては、好ましくは、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ系）を主成分とする材料、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）を主成分とする材料、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）を主成分とする材料、マンガンニオブ酸鉛を主成分とする材料、アンチモンスズ酸鉛を主成分とする材料、亜鉛ニオブ酸鉛を主成分とする材料、チタン酸鉛を主成分とする材料、更にはこれらの複合材料等が用いられる。【００６９】  また、このような圧電／電歪材料に、ランタン、バリウム、ニオブ、亜鉛、セリウム、カドミウム、クロム、コバルト、ストロンチウム、アンチモン、鉄、イットリウム、タンタル、タングステン、ニッケル、マンガン等の酸化物やそれらの他の化合物を添加物として含有せしめた材料、例えば、ＰＬＺＴ系となるように、前記ＰＺＴ系を主成分とする材料に上記の如き所定の添加物を適宜に加えたものであっても、何等差し支えない。【００７０】  尚、上記の如くして形成される電極膜７５，７７と圧電／電歪膜（層）７８から構成される圧電／電歪作動部の厚さとしては、一般に１００μｍ以下とされ、また電極膜７５，７７の厚さとしては、一般に２０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下とされることが望ましく、更に圧電／電歪膜７９の厚さとしては、低作動電圧で大きな変位等を得るために、好ましくは５０μｍ以下、更に好ましくは３μｍ以上４０μｍ以下とされることが望ましい。加えて、かかる圧電／電歪素子７８は、膜形成法によって形成されることから、膜形成プロセスの利点により、基体６８上に多数個、微細な間隔を隔てて、接着剤等を用いずに同時に且つ容易に形成することができる。【００７１】  前述のように、本発明のマイクロリアクターは、例えば、図２に示すように、第１の基板２に、別途作製した第２の基板３０を貼り合わせ、一体化することにより得る��とができる。【００７２】  このとき、本発明のマイクロリアクターは、例えば、図８に示すように、第２の基板３２としては、また、以下に例挙する部材の少なくとも１個の部材を含むものが使用可能である：マイクロポンプユニット１２と、各マイクロポンプ１０の出口形状をそれぞれ調整するノズル孔２９と、各マイクロポンプ１０に試料を流通（供給及び／又は排出）させる流路２７，２８とを備えたサポートユニット２０。更に詳細には、サポートユニット（補助基板）２０は、図８に示すように、マイクロポンプユニット１２に配設されたマイクロポンプ１０に試料を流通（供給及び／又は排出）させる流路１７を流路２７と連通させる。【００７３】  次いで、流路２７−キャビティ４８間及びキャビティ４８−流路２８間を、サポートユニット２０のマイクロポンプユニット１２に対する重ね合わせ面に開口するように、且つキャビティ４８の直下に位置するように連通孔をそれぞれ配設することにより、「流通孔１６−流路１７−流路２７−キャビティ４８−流路２８−ノズル孔２９」と連通させることができる。【００７４】  尚、本発明で用いるサポートユニット２０の材質は、特に限定されないが、マイクロポンプユニット１２やリアクターユニット（第１の基板）と同一のものを用いることが好ましい。これにより、本発明で用いるサポートユニット２０は、キャビティ４８内におけるの試料の流通をスムーズに行うことができるとともに、リアクターユニット２への送液口がノズル孔２９となっているので、試料を加圧して噴出させることができる。【００７５】  また、本発明で用いるサポートユニット２０は、マイクロポンプユニット１２の仕様を替えることなく、サポートユニット２０の変更のみで、リアクターユニットの設計変更に適宜対応できるという利点を有する。尚、本発明で用いるサポートユニットは、例えば、図８に示すように、マイクロポンプ１０への試料の逆流を防止したい場合、その内部に逆止弁２１を配設することが好ましい。【００７６】  また、本発明で用いる第２の基板は、例えば、図３に示すように、マイクロポンプユニットにサポートユニットの機能を付与したものであることが、コンパクト化（薄肉化）することができるとともに、ハンドリング性にも優れている（図２参照）。【００７７】  更に、本発明のマイクロリアクターは、第１の基板と第２の基板とを、例えば、以下に示す方法を用いて貼り合わせ、一体化することができる。【００７８】（１）第１の基板と第２の基板との間に接着シートを介在させ、この接着シートにより接合させる。【００７９】  このとき、（１）の方法では、接着シートの替わりに、接着剤を接合面にスクリーン印刷法により形成させたものを用いてもよい。また、（１）の方法では、接着後、接着層を強化するため紫外線硬化型アクリル樹脂を流し込んでもよい。【００８０】（２）第１の基板と第２の基板との間にスペーサーを設置するなどして一定のギャップを形成した後、アクリル樹脂を側面より流し込み、このアクリル樹脂を用いて接合させる。【００８１】  このとき、接合面積が大きい場合は、基板に貫通穴を開け、接合部に残留する空気を接合部の外に排出することが好ましい。また、（２）の方法では、接���面積、材料に応じてアクリル樹脂の粘性を調整することが好ましい。更に、（２）の方法では、アクリル樹脂を硬化させるための紫外線硬化パワーは最適なものを選ぶことが好ましい。  これは、パワーが小さすぎると硬化時間が掛かりすぎ、パワーが多き過ぎると急激な硬化反応が起こり接合部にクラックが入ることがあるからである。【００８２】  尚、（２）の方法では、スクリーン印刷法によりアクリル樹脂流し込みのためのギャップを形成してもよい。【００８３】  尚、使用され得る接着剤としては、ビニル系、アクリル系、ポリアミド系、フェノール系、レゾルシノール系、ユリア系、メラミン系、ポリエステル系、エポキシ系、フラン系、ポリウレタン系、シリコーン系、ゴム系、ポリイミド系、ポリオレフィン系等の何れでも良い。但し、用いる試料に対する耐久性のある接着剤を選択する。【００８４】  また、接着剤の形態は、量産性の点から、ディスペンサーによる塗布が可能か、或いはスクリーン印刷が可能な高粘性のペーストタイプか、打抜き加工が可能なシートタイプが優れており、また加熱時間の短いホットメルト接着型か、或いは室温硬化接着型がより望ましい。更に、高粘性のペーストタイプとしては、本来の接着剤にフィラーを混入して粘度を上げたものも用いることができる。【００８５】  以上の点、および特に試料（水系）に対する耐久性の観点からは、スクリーン印刷が可能な弾性エポキシ接着剤やシリコーン系接着剤、或いは打抜き加工が可能なシート形状ホットメルトタイプのポリオレフィン系接着剤やポリエステル系接着剤等が、特に好適に用いられることとなる。なお、それらの各種接着剤を、接着面の一部分と他の部分とに、それぞれ使い分けて、適用することも可能である。【００８６】  更に、本発明のマイクロリアクターは、第１の基板（リアクターユニット）と第２の基板（マイクロポンプユニット）との貼り合わせ界面部（接合部）の厚さは、０．１〜１０μｍであることが好ましい。これは、接合層の厚さが０．１μｍ未満である場合、基板自身のうねり、表面粗さが吸収できない程、薄くなった場合、基板同士が接触し、接合層が事実上存在しない可能性があるため、接合強度が実質上弱くなってしまうからである。一方、接合層の厚さが１０μｍを超過する場合、セラミックスの剛性が高くても、接合層がやわらかく、厚みが厚ければ圧力を吸収してしまう。尚、接合の一般論としては、（基板が理想的な平面であるときの）接合層は薄いほうが望ましく、本来、接合層は、強度的にも基板より弱いので、できるだけ無いほうが好ましい。このため、接合層を用いる場合、なるべく薄く（小さく）して、接合層からの破損を避けることが必要不可欠である。【００８７】  以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限られるものではない。
【実施例】
【００８８】  図１に示すように、１２個の単位リアクターが形成された第２の基板３０を用いた縦：２０ｍｍ×横：１５ｍｍ×厚さ：３ｍｍのマイクロリアクターを、本発明の製造方法に基づいて製造した。【００８９】  ここで、単位リアクターとは、図２に示すように、セラミックス一体型のマイクロポンプ１０を３個有し、それぞれのポンプが流路５，７（流路幅：５０μｍ）を介して１つのリアクター６に連結されており、試料の供給と回収が行われるものである。【００９０】  次に、得られたマイクロリアクターの基本性能の評価を行った。【００９１】（比較例）
図９に示すように、１個の単位リアクターが形成された縦：１０ｍｍ×横：３０ｍｍ×厚さ：３ｍｍのマイクロリアクターを、既存の製造方法で製造した。【００９２】  ここで、単位リアクターとは、図１０に示すように、ダイヤフラムポンプ５０を３個有し、それぞれのポンプが流路５，７（流路幅：５０μｍ）を介して１つのリアクター６に連結されており、試料の供給と回収が行われるものである。【００９３】  次に、得られたマイクロリアクターの基本性能の評価を行った。【００９４】（考察）
実施例では、図１に示すように、比較例（図９参照）と比較して、単位面積当たりのマイクロポンプ１０、即ち単位リアクターの集積度が非常に高く、コストパフォーマンスに優れているだけでなく、リアクターユニット２の設計に応じて、マイクロポンプ１０を適宜連結又は分離させることにより、様々な反応系のマイクロリアクターを容易に作製することができた。
【産業上の利用可能性】
【００９５】  以上説明した通り、本発明のマイクロリアクターは、チャネル（流路）内への吐出力に優れ、且つ瞬時に送受液を精密な精度で制御することができる複数個のマイクロポンプを集積化できるとともに、集積化されたマイクロポンプが一体形成されたマイクロポンプユニットと、チャネル（流路）、リアクター（反応槽）、注入口及び送出口を主に備えたリアクターユニットとを別々に製造後、貼り合わせることにより、生産性及び汎用性に優れている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図５（ｃ）】
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【図６】
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【図７（ａ）】
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【図７（ｂ）】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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