CN1242848C - 成分分离装置及其制造方法、及使用该装置的微小固体成分的分离方法 - Google Patents

Abstract

在载物台(1)上，具有可收容分离的对象物的样品的凹槽体(2)，凹槽体(2)仅以底面的一点被固定在载物台(1)上，在前述载物台(1)上形成的基座(13)，进一步具有使凹槽体(2)振动的促动器。

Description

成分分离装置及其制造方法、及使用该装置的微小固体成分的分离方法

技术领域

本发明涉及用于分别分离混合有例如以血液、乳状液等为代表的液体成分和固体成分的溶液的成分、或者混合有质量、大小不同的多种固体成分或粒状成分的固体成分的微小固体成分的分离装置及其制造方法，以及利用了该装置的微小固体成分的分离方法，并被应用于微小固体成分分离器、成分分析机等。

背景技术

作为混合有多种固体成分的流体或者粉体流体，可列举有例如江河水、海水、血液等。它们是液体成分和固体成分混合的流体，砂、细菌、血球细胞等固体成分没有溶解于液体成分而以沉淀或分散等的状态作为固体存在着。

而且，作为分离这些多种成分的方法，例如血球、血浆分离装置有如下的装置。

通常，血液是以由液体成分的血浆和固体成分的血球细胞及其他的成分构成的全血状态而被抽取的。可是，检查中所需要的成分或者只是血球细胞部分、或者相反只是血浆部分的情况较多。

例如，为了检查血液中的血糖值需要测定溶解在血浆成分中的血糖，为了化验DNA必须从血球中的白血球细胞提取DNA。因此，在以往的一般的方法中，为了将所抽取的全血分离成血浆、血球成分，而在将全血放入试管中后，放置到离心分离器中而进行加载规定的离心力。这样，当在离心分离器上加载离心力时，试管内的全血的各种成分受到相应的离心力，根据质量的不同这些成分被分离。

而且，此后，又能通过抽出澄清液以提取血浆成分，又能从沉淀物中提取血球成分。然后，对所分离出的各种成分，按照检查步骤进行规定的测定。

另外，作为分离微量样品的方法还有使用过滤器的方法。

这是由Yong-Kyu Yoon等所发表的方法，是利用过滤器的多孔性，过滤规定大小或其以上大小的血球而取得血浆成分，或者相反取出血球的装置。在该方法中，因为过滤器的孔尺寸、数量等会对分离特性产生影响，所以需要根据分离哪种成分来设计最优化的过滤器。在代表性的例子中，作为精度良好地再现过滤器的孔尺寸、数量等的方法是通过使感光性抗蚀剂立体地感光，精度良好地实现筛眼状的方法。

发明内容

但是，当使用像以往前述那样的离心分离器时则会存在有如下那样的问题。即，因为需要将全血放入到像试管那样的容器中，并使其在离心分离器中分离，所以必须以某种程度的量填充在试管中，需要有数毫升到数十毫升程度的样品。因此该方法在所取得的样品的量较少的情况下是难以进行的。

另一方面，过滤器的方法，是当混合有多种成分的流体或者粉体流体在压力等力的作用下通过过滤部时，根据固体成分的粒子的大小而被捕获、或者通过的装置，该方法在存在有多种大小的固体成分粒子的情况下进行各种成分的分离较困难。即，当为了取出特定大小的粒子，而以仅使小粒子通过的方式构成过滤器的大小时，就会有因为大粒子被过滤器捕获而导致过滤器发生堵塞、妨碍小粒子的通过这样的问题。

为解决上述问题，本发明的微小固体成分的分离装置，具有载物台、在该载物台上具有规定容积的凹槽体、和被固定在载物台上的基座，将前述基座和前述凹槽体之间用促动器连接，在前述凹槽体内至少可积蓄2种或2种以上的不同的微小固体成分，即使是少量的样品也可将固体成分分离。

另外，本发明的成分分离装置的制造方法，包括在由玻璃构成的载物台上通过蚀刻形成槽腔和基座的工序、通过直接接合使硅基板贴合在该由玻璃构成的载物台上的工序、通过在贴合后的硅基板上依次喷镀或真空蒸镀下部电极、压电体、上部电极而形成促动器的工序、通过蚀刻将前述上部电极、压电体和下部电极图案形成的工序、和通过对硅基板进行蚀刻而在槽腔的上部形成凹槽体和支撑部件的工序。

另外，本发明的微小固体成分的分离方法，是使用本发明的成分分离装置的方法，是在将由固体成分和液体成分构成的样品积蓄在前述凹槽体内之后，通过由前述促动器对凹槽体施加振动，使凹槽体内的前述样品中的不同成分偏离分布，从而使其互相分离的微小固体成分的分离方法，能够以少量的样品高精度地进行分离。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的成分分离装置的立体图。

图2是本发明的一个实施方式的成分分离装置的立体分解图。

图3是说明本发明的一个实施方式的成分分离装置的动作的剖视图。

图4是本发明的一个实施方式的成分分离装置的剖视图。

图5是本发明的一个实施方式的成分分离装置的剖视图。

图6是表示制造本发明的一个实施方式的成分分离装置的工序的立体图。

图7是表示制造本发明的一个实施方式的成分分离装置的工序的立体图。

图8是表示制造本发明的一个实施方式的成分分离装置的工序的立体图。

图9是表示制造本发明的一个实施方式的成分分离装置的工序的立体图。

图10是表示制造本发明的一个实施方式的成分分离装置的工序的立体图。

图11是表示制造本发明的成分分离装置的工序的立体图。

图12是本发明的一个实施方式的成分分离装置的立体图。

图13是本发明的一个实施方式的成分分离装置的剖视图。

图14是表示制造本发明的一个实施方式的成分分离装置的工序的立体图。

图15是表示制造本发明的一个实施方式的成分分离装置的工序的立体图。

图16是表示制造本发明的一个实施方式的成分分离装置的工序的立体图。

图17是表示制造本发明的一个实施方式的成分分离装置的工序的立体图。

图18是表示制造本发明的一个实施方式的成分分离装置的工序的立体图。

图19是表示制造本发明的一个实施方式的成分分离装置的工序的立体图。

具体实施方式

本发明的微小固体成分的分离装置，是在硅凹槽体内保持具有多种成分的样品，并利用促动器对该样品施加振动，由此利用样品中的各成分对振动的应答性的差异而进行成分分离的装置。凹槽体因为是对硅基板进行加工而形成的，所以能够制成极其小的容器。另外，因为使凹槽体振动的装置也是用硅基板形成的，所以能够制成整体小型的装置。另外，在想要分离各种混合成分的情况下，可通过改变对凹槽体施加的振动的条件而进行特定成分的分离。因此，并不是像过滤器那样限于特定目的的设计，能够制成通用性较高的微小固体成分分离装置。

下面，关于本发明的成分分离装置，按照具体的实施方式，参照附图进行说明。

实施方式1

图1及图2，表示本发明的微小固体成分分离装置的形态。在由玻璃构成的载物台1上形成有玻璃槽腔9、玻璃基座13及中心轴5。如图2所示，玻璃基座13，由梳齿形状的部分和台阶部分构成。在玻璃槽腔9的上部，由硅构成的凹槽体2经由中心轴5而被接合。由此凹槽体2可在该中心轴5的周围沿回转方向振动。即，在通过接合而固定的中心轴的周围凹槽体沿扭转方向振动。另外，凹槽体2，其一部分构成可动梳齿电极3。

该可动梳齿电极3，和由硅构成的固定梳齿电极41及42构成对置电极，作为促动器，具有牵引包含可动梳齿电极3的凹槽体2的力。在此，凹槽体2与被设置在中心轴5上的共用电极6相连，经由共用电极6，可动电极3与载物台1上的共用电极焊盘7相连接。再者，在此使用的硅，具有可起到作为电极的作用的那种程度的电传导性。

另一方面，被设置在玻璃基座13上的固定梳齿电极单元4，如图1及图2所示，在中央分离，被分割成互相对称形状的固定梳齿电极41和42。固定梳齿电极41和42，分别被引出到载物台1上的单个电极焊盘81及82。由此当通过单个电极焊盘81、82向固定梳齿电极41、42加载电压时，在由它们的对置电极构成的促动器上产生静电引力，凹槽体2绕中心轴5的周围动作。当使向单个电极焊盘81、82加载的电压周期性地变化时，凹槽体2就会沿中心轴5的周围回转振动。

使用方法1

下面，对使用本实施方式的微小固体成分分离装置，分离混合有不同成分的液体或固体的各成分的程序进行说明。图3至图5是用于说明该程序的微小固体成分分离装置的示意剖面图。

首先，在图3所示的凹槽体2的硅槽腔12内，如图4所示，放入混合有固体成分10和固体成分11的粒状固体成分。初始的状态如图4所示是两种成分混合的状态。然后，向电极焊盘81、82(图未示)加载周期性变化的电压。由此凹槽体2绕中心轴5的周围回转振动。通过该回转振动而产生的加速度，使凹槽体2内的固体成分10及11产生惯性力。此时产生的惯性力根据成分的质量而不同，另外在各自的成分间的摩擦力等也存在差异。而且，这些力的差异，使各成分在硅槽腔12内偏离分布，固体成分10和固体成分11，例如图5所示，在硅槽腔12内分离成上下两部分。

再者，虽然在实施方式1中就固体成分之间的混合进行了说明，但只要是固体成分和液态成分、液态成分和液态成分等两者不相溶解的系列，则会产生同样的现象，能够进行微小固体成分的分离。

制造方法1

下面对于制造该微小固体成分分离装置的工序，参照图6至图11进行说明。

首先，如图6所示，在由玻璃基板构成的载物台1上图案形成抗蚀剂掩膜14。然后如图7所示，通过蚀刻形成玻璃槽腔9，同时形成玻璃基座13及中心轴5。玻璃基座13的图案，由与固定梳齿电极单元4同样形状的部分、和周围的台阶部分构成。作为蚀刻的方法可以使用干腐蚀、湿腐蚀等。

然后如图8所示，用金形成共用电极6。该图案以覆盖中心轴5上的至少一部分的方式而被形成。在本实施方式中，是按照只覆盖中心轴顶端的一部分的方式形成的。其理由在后面还会说明，是因为在中心轴5上，没有使用粘结剂，通过直接接合而接合硅基板的缘故。另外，作为金电极的形成方法可以使用喷镀、真空蒸镀等通常的方法。另外作为共用电极6的材料除了金以外，还可以使用铬、钛、铂等。

其次，如图9所示，将硅基板15接合在载物台1上。此时作为接合的方法使用直接接合法。

首先，例如，使用混合有硫酸和过氧化氢溶液的酸性溶液、或其他的碱性溶液，清洗互相贴合前的载物台1的表面和硅基板15的表面，以免在表面上留有污垢或尘埃。再者，通常用上述酸性溶液清洗就足够了，但是有时因为硅和玻璃的表面粗糙度而不能接合，在该情况下，有时碱性溶液有效。通常，因为碱性溶液虽然只是轻微地但还是会腐蚀硅和玻璃，所以最好不要长时间清洗。根据试验，证实通过10分钟左右的短时间清洗，能获得良好的接合效果。

然后，如上所述清洗过后，若使载物台1和硅基板15贴合，并以200～500℃进行加热，则会形成硅和玻璃间的原子间接合。通过该原子间接合两者被牢固地接合。在此，硅基板15接合的是在玻璃制的载物台1上形成的玻璃基座13和中心轴5的表面。再者，中心轴5上的形成有金或铬等的共用电极6的部位不与硅基板15接合。但是，只要形成共用电极6的区域的面积，比中心轴5中的玻璃露出的面积小得多，就不会给接合带来影响。而且，因为被设置在中心轴5上的共用电极6与硅基板15以足够的压力紧密贴合，所以硅基板15和共用电极6能够电气连通。再者，通过使用金作为共用电极6，能获得最好的电气连通效果。即，当在金和硅紧密贴合的状态下使温度达到400～500℃时，金原子向硅内扩散。由此，中心轴5和硅基板15的接合不但变得更牢固，而且还能够可靠地进行电气连通。

然后，如图10所示将硅基板15从上部以规定的图案进行干腐蚀，形成硅槽腔12。此时，为了避免硅槽腔12贯通硅基板15，而将蚀刻控制在规定的蚀刻深度。

最后，如图11所示将硅基板15以规定的图案干腐蚀，形成凹槽体2、固定梳齿电极单元4、可动梳齿电极3、共用电极焊盘7及电极焊盘8。对于这些图案，进行蚀刻直至向下贯通硅基板15。

在完成后的微小固体成分分离装置上，将共用电极6作为地线，当向与各固定梳齿电极41、42导通的单个电极焊盘81、82加载电压时，会在可动梳齿电极3和固定梳齿电极41、42之间产生静电引力。通过该静电引力，使凹槽体2发生以中心轴5为中心的回转振动。

如上说明，在本发明的实施方式1中的微小固体成分分离装置，在由玻璃构成的载物台1上具有收容液态或固体形态的材料的由硅构成的凹槽体2，并仅用该凹槽体2的底面的一点固定在载物台1上。在形成于该载物台1上的由玻璃构成的玻璃基座13和前述凹槽体2之间构成促动器，通过该促动器使凹槽体2振动。利用该促动器，像这样使收容在凹槽体2的硅槽腔12内的样品溶液振动，根据各个成分的对振动的应答性的不同而进行成分分离。

另外，因为凹槽体2是由硅基板15通过蚀刻而形成的，所以能够制成极其小的容器形状，且由于使其振动的装置也是由硅基板15与凹槽体2同时形成的，所以能够制成小型的装置形状。

另外，由于将载物台1及玻璃基座13用玻璃形成，并将凹槽体2用硅基板15形成，所以各自的蚀刻率差异大，从而能够高精度地进行形状的控制，因此能够实现高精度的小型的装置。

另外，在分离各种各样的成分的情况下，可通过改变对凹槽体2施加的振动的状态以进行特定成分的分离。从而，并不是像过滤器那样限于特定目的的设计，能够制成通用性高的微小固体成分分离装置。

能够实现当使用实施方式1中所说明的微小固体成分分离装置时可将细胞的成分分离成放射线状或同心圆状的微小固体成分分离装置。

实施方式2

对于实施方式2的微小固体成分分离装置，参照图12及图13进行说明。

在由玻璃构成的载物台21的上面，如图14所示形成有玻璃槽腔24及玻璃基座32。另外，在玻璃槽腔24的内侧设置有硅制的凹槽体23和硅槽腔25。

本实施方式和实施方式1不同之处在于，使凹槽体23振动的促动器的构成有所不同。

如图12所示，凹槽体23没有被固定在载物台21上，而是被支撑部件31所支撑，被可移动地收容在玻璃槽腔24内。支撑部件31因为其一侧被牢固地连接在硅的基座22上，并且是在多个部位进行这样的连接，所以能够可靠地支撑凹槽体23。另外如图12所示，由于设置在纵横方向的位置上，所以能够使凹槽体23向纵横方向移动。

另外，如图13所示，在各自的支撑部件31的上面，设置有至少一对的上部电极26、压电体27、下部电极28。当向压电体27加载电压时就会产生变形，构成通过支撑部件31的弯曲应力作用而支撑部件31发生变形的方式的促动器30。在硅基座22上，形成有用于向该促动器30加载电压的电极焊盘33、34。

另外，虽然支撑部件31为了使作为促动器的位移量较大，而如图12所示，制成为弯曲的形状，但不限于弯曲形状。

使用方法2

下面，对使用具有这种构成的微小固体成分分离装置分离微小固体成分的方法进行说明。

在使用像这样的微小固体成分分离装置来分离不同成分混合在一起的液体或者固体的时候，对凹槽体23施加振动。与实施方式1只是凹槽体的振动方向不同而成分分离的原理是一样的。参照附图对这种情况进行说明。如图13所示，促动器30，是在支撑部件31的上面形成压电层叠体40的构造，在此，压电层叠体40，如在图16、17中说明的那样，是由上部电极26、压电体膜27及下部电极28构成的层叠体。当通过电极焊盘33及34，向上部电极26和下部电极28之间供给电压时，促动器30发生伸缩，凹槽体23向图12的箭头所表示的纵横方向移动。此时，通过使对各促动器30加载的电压周期性地变化，并使各促动器30之间的动作同步，可使凹槽体23沿纵横方向振动。

当凹槽体23振动时，被收容在硅槽腔25内的多成分系的样品，根据每种成分产生的惯性力的不同，各成分被分离。例如，当在硅槽腔25中放入包含多种细胞的样品而使其振动时，各成分能够根据自身所产生的惯性力的不同以平行于纵横方向的状态将细胞的成分分离。

制造方法2

下面，对实施方式2的微小固体成分分离装置的制造方法，参照图14至图19进行说明。

首先，如图14所示，对由玻璃基板构成的载物台21进行蚀刻而形成玻璃槽腔24和玻璃基座32。此时作为蚀刻的方法可以使用干腐蚀、湿腐蚀等方法。

然后，如图15所示将硅基板29接合在玻璃基板上。此时作为接合的方法通过直接接合法进行。

首先，例如，使用混合硫酸和过氧化氢溶液的酸性溶液、或其他的碱性溶液，清洗互相贴合的载物台21的表面和硅基板29的表面，以免在表面上留有污垢或尘埃。另外，通常用上述酸性溶液清洗就足够了，但是有时由于硅和玻璃的表面粗糙度而不能接合，在这种情况下，碱性溶液会较有效。通常，因为碱性溶液虽然只是轻微地但是仍然会腐蚀硅和玻璃，所以最好不要长时间清洗。根据试验，证实通过10分钟左右的短时间清洗，能获得良好的接合效果。

然后，如上所述，清洗过后使两基板贴合，并通过用200～500℃加热，从而在硅和玻璃间产生原子间接合。由此硅基板29被牢固地接合在玻璃基座32上。

然后，如图16所示，在硅基板29的上面，将铂的下部电极28、钛酸锆酸铅的压电体膜27、金的上部电极26按照该次序喷镀而形成压电层叠体40。

然后，如图17所示，顺次蚀刻上部电极26、压电体27、下部电极28，将压电层叠体加工成弯曲形状。在图17中，显示有4个在硅基板29上呈弯曲状地图案形成的压电层叠体40。

然后，如图18所示，从上部对硅基板29进行干腐蚀，形成硅槽腔25。此时，为了避免硅槽腔25的底面贯通硅基板29，而控制在规定的蚀刻深度。从而，硅槽腔25的底面由硅基板构成。

然后，如图19所示，设置规定的掩膜而对硅基板29进一步进行干腐蚀。在该工序中，制成支撑部件31和凹槽体23及玻璃槽腔24。在该玻璃槽腔24的部位上，硅基板29向下蚀刻直至贯通。从而，玻璃槽腔24的底面，由玻璃基板构成。另外，相当于弯曲形状的压电层叠体40的下部的硅基板29也被加工成同一形状。这样，由都被加工成弯曲形状的硅基板29和压电层叠体40构成促动器30。

由此，凹槽体23及硅槽腔25，成为以相对于玻璃槽腔24保持一定的间隙的状态，被促动器30支撑的结构。

当向完成后的微小固体成分分离装置的、被设置在各支撑部件31的上部的压电层叠体40供给电压时，由压电层叠体40和支撑部件31构成的促动器30伸缩，与各促动器30相连接的凹槽体23沿纵横方向振动。

从而，能够实现可以平行于纵横方向的状态分离细胞的成分的微小固体成分分离装置。

如上本发明，与以往的使用离心分离器的情况相比较，能够提供即使是微量的样品也能高精度地分离各成分的微小固体成分分离装置。另外，不需要像以往的使用过滤器的分离方式那样，为了特定的血浆、血球的分离而个别地设计孔尺寸、孔数量等，能提供通用性强的微小固体成分分离装置。

Claims (17)

1.一种微小固体成分的成分分离装置，其具有：

载物台；

在前述载物台上具有规定容积的凹槽体；

被固定在前述载物台上的基座；和

连接前述基座和前述凹槽体之间的促动器；

其中在上述凹槽体内至少可收容两种或两种以上的不同成分。

2.如权利要求1所述的成分分离装置，其中前述凹槽体具有规定的容积的槽腔，在前述槽腔内收容多种成分的混合物，前述促动器使前述凹槽体振动，由此前述混合物按照每一种成分被分离。

3.如权利要求1所述的成分分离装置，其中通过前述促动器的驱动，前述凹槽体在与前述载物台平行的平面内沿回转方向移动。

4.如权利要求3所述的成分分离装置，其中前述促动器，由对置电极构成，而该对置电极由与前述基座相连的固定梳齿电极和与前述凹槽体相连的可动梳齿电极构成。

5.如权利要求3所述的成分分离装置，其中前述可动梳齿电极，通过由金、铬、钛及铂中的一种金属构成的共用电极而被引出到前述载物台上。

6.如权利要求3所述的成分分离装置，其中前述载物台进一步具有中心轴，前述中心轴将前述凹槽体和前述载物台连结，具有多个前述对置电极。

7.如权利要求6所述的成分分离装置，其中向一个前述对置电极和另一个前述对置电极分别周期性地加载不同的电压，前述促动器以前述中心支撑部为中心轴，沿回转方向使前述凹槽体振动。

8.如权利要求1所述的成分分离装置，其中通过驱动前述促动器，前述凹槽体可在相对于前述载物台平行的方向上移动。

9.如权利要求1所述的成分分离装置，其特征在于，前述促动器具有压电元件层。

10.如权利要求9所述的成分分离装置，其中前述促动器是硅基板、和压电元件层的层叠构造体，前述压电元件层，挟持压电体层而具有上部电极和下部电极。

11.如权利要求10所述的成分分离装置，其中前述下部电极由铂或者钛构成，压电体由钛酸锆酸铅构成，上部电极由金或铂或钛或铬构成。

12.如权利要求1所述的成分分离装置，其中前述促动器呈弯曲形状。

13.如权利要求1所述的成分分离装置，其特征在于，前述凹槽体是硅制的，前述载物台是玻璃制的。

14.一种成分分离装置的制造方法，其具有：

蚀刻玻璃基体材料而形成玻璃槽腔、玻璃基座和中心轴的工序；

在前述中心轴和玻璃槽腔内，形成由金、铬、钛及铂中的一种金属构成的、规定形状的共用电极的工序；

通过直接接合使硅基板贴合在前述玻璃基体材料上的工序；

蚀刻贴合后的前述硅基板的工序；

其中前述硅基板的蚀刻工序，是在前述玻璃槽腔上，形成具有规定容量的硅槽腔的凹槽体、和可动梳齿电极，在前述玻璃基座上形成固定梳齿电极的工序。

15.一种成分分离装置的制造方法，其包括：

蚀刻玻璃基体材料而形成玻璃槽腔和玻璃基座的工序；

通过直接接合使硅基板贴合在前述玻璃基体材料上的工序；

在贴合后的前述硅基板上，将下部电极、压电体、上部电极按照该顺序形成的工序；

通过蚀刻将上部电极、压电体和下部电极图案形成的工序；以及

通过蚀刻前述硅基板而在玻璃槽腔的上部形成前述凹槽体和支撑部件的工序。

16.一种微小固体成分的分离方法，该方法是利用具有载物台、在前述载物台上具有规定容积的凹槽体、被固定在前述载物台上的玻璃基座、和连接前述玻璃基座与前述凹槽体之间的促动器，且前述凹槽体具有规定容积的硅槽腔的成分分离装置，对被收容在前述凹槽体内的由固体成分和液体成分组成的样品，通过由前述促动器向凹槽体加载振动，从而使凹槽体内的前述样品中的不同成分偏离分布，从而分离成前述各种成分的方法。

17.如权利要求16所述的微小固体成分的分离方法，其中前述样品的液体成分是血浆，固体成分是细胞。

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