JP2002163022A - マイクロシステムにおける流れの制御方法 - Google Patents
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Abstract
イクロシステムにおける流体の流れを簡便に制御する方
法を提供する。 【解決手段】 マイクロシステムの微小流路を流れる流
体に、刺激によりゾル−ゲル転移する物質を添加し、微
小流路上の所望の箇所に刺激を与え、流体をゲル化させ
て流れを制御する。
Description
システムにおける流れの制御方法に関するものである。
さらに詳しくは、この出願の発明は、マイクロシステム
の流路を流れる流体の流れをON−OFF的に制御する
方法に関するものである。
技術の発展により、シリコンやガラス基板上に作製され
たマイクロ電極が、液体クロマトグラフィーの電気化学
検出器や医療現場における小型の電気化学センサーなど
の分析機器において広く用いられるようになった。ま
た、ゲノム分析の分野においては、DNA塩基配列を決
定するために、ガラス基板上に作製した微小なマイクロ
チャンネルでの電気泳動分析が一般的に行われており、
このような観点からも、基板上へのマイクロ電極の作製
が極めて重要とされている。
マイクロ電極に留まらず、近年では、小型分析機器の開
発を念頭においたmicro-total-analysis system(μ−
TAS)やマイクロリアクターの作製・開発などが注目
され、世界的に活発な研究が進められている。μ−TA
Sやマイクロリアクターは、少量の試料で測定、分析が
可能なこと、持ち運びが可能となること、低コストが実
現されることなど、従来のデバイスに比べて、優れてい
る面が多々ある。したがって、従来にも増して、様々な
構造体を基板上に導入する方法が重要と考えられ、検討
されている。
リアクターでは、通常の分析機器や化学反応器におい
て、チューブやバルブの役割を果たす微細な構造体を基
板上に作製する必要がある。微小流路の成形加工につい
ては、従来のフォトリソグラフィーやエッチング技術の
応用により実現されている。しかし、微小バルブについ
ては、その機構の複雑さから、実用的なものを得るのが
困難とされている。
料等の流れを制御する部位であるため、高い耐久性や精
度が求められる。しかし、μ−TASやマイクロリアク
ターで要求されるような耐久性と精度を有する微細なバ
ルブをマイクロシステム上に加工する方法は、これまで
確立されていないのが実情である。また、通常の分析機
器や化学反応器に使用されるような複数の部品からなる
バルブは、必然的に漏れや詰まりなどの原因となりうる
箇所が多いことになるため、初期の性能を持続させるこ
とが困難であるという問題があった。
の事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点
を解消し、複雑なバルブ構造を用いることなく、マイク
ロシステムにおける流体の流れを簡便に制御する方法を
提供することを課題としている。
の課題を解決するものとして、まず第1には、マイクロ
システムにおける流体の流れを制御する方法であって、
マイクロシステムの微小流路を流れる流体に、刺激によ
りゾル−ゲル転移する物質を添加し、微小流路上の所望
の箇所に刺激を与え、流体をゲル化させて流れを制御す
るマイクロシステムにおける流れの制御方法を提供す
る。
において、第2には、刺激が温度変化であるマイクロシ
ステムにおける流れの制御方法を、第3には、刺激が電
圧であるマイクロシステムにおける流れの制御方法を提
供する。
記第2の発明において、温度変化が赤外線の局所的照射
によって起こるものであるマイクロシステムにおける流
れの制御方法を提供する。
ら第4のいずれかの発明において、刺激によりゾル−ゲ
ル転移を起こす物質が、メチルセルロースである請求項
1ないし4のいずれかのマイクロシステムにおける流れ
の制御方法を提供する。
記第1から第5のいずれかの発明の流れの制御方法によ
って流体の流れを制御するマイクロシステムを提供す
る。
記第6の発明のマイクロシステムを含有する装置をも提
供する。
ムにおける流れの制御方法は、マイクロシステムの微小
流路を流れる流体に、刺激によりゾル−ゲル転移する物
質を添加し、流れを制御したい箇所で局所的に刺激を与
えることにより、該流体中の物質がゲル化し、流路を塞
いだり流路に新たな壁を形成したりし、流れが停止した
り流れの方向や流速が変わったりするという原理に基づ
くものである。また、この刺激を除去することによりゲ
ル化した物質が再びゾルとなり、流れは元どおりに戻さ
れる。
の制御方法では、例えば図1に示すように、マイクロシ
ステム(1)の基板(2)上に作製された微小流路
(3)上に、Y字型等の分岐点(4)を設け、試料
(5)とゾル−ゲル転移する物質(6)を含有する流体
(7)を流し、下流側で赤外レーザー(8)等により刺
激を与えれば、刺激を受けた箇所で物質(6)がゲル化
し(6’)、流体が複数の微小流路(3)の中の1本ま
たは複数本を選択的に流れるように制御することが可能
となる。また、赤外レーザー(8)等の刺激を付与する
位置や範囲を調節すれば、物質(6)がゲル化(6’)
して微小流路(3)上に壁を形成し、微小流路(3)の
幅を狭め、流体(7)の流速を制御することも可能とな
る。したがって、この出願の発明のマイクロシステムに
おける流れの制御方法では、流体(7)中に添加された
ゾル−ゲル転移する物質(6)が、流体(7)の流れを
停止、あるいは流量や流速を調整する微小バルブの働き
をすることになる。そして、このような微小バルブは、
刺激の負荷や除去に対応してON−OFF的に作用する
ものであるといえる。
る流れの制御方法では、以上のとおりの原理と機構に基
いて流体の流れを制御できるものであれば、刺激を与え
る方法は、流体中の刺激によりゾル−ゲル転移する物質
に応じて選択でき、どのようなものであってもよい。例
えば温度変化によってゾル−ゲル転移を起こす物質を用
いた場合には温度、電圧の印加によってゾル−ゲル転移
を起こす物質を用いた場合には電気とすることができ
る。他にもpH、濃度変化、光等が例示されるが、流体
全体に渡って刺激が付与されてしまうものは、流れを部
分的に制御することが不可能となり、ON−OFF的な
制御ができなくなるため、好ましくない。すなわち、マ
イクロシステムの微小流路上に局所的に負荷できるよう
な刺激であることが好ましい。このような刺激として
は、温度や電気が好ましく例示される。例えば、温度変
化を与えるためには、赤外レーザーを照射すれば、局所
的な加熱が可能となり、集光により細かな範囲を急速に
加熱したり、走査して広い範囲を加熱したりでき、好ま
しい。電気的刺激を局所的に与える方法としては、微小
流路上の所望の箇所に電極等を設ければよい。
ムにおける流れの制御方法では、刺激によりゾル−ゲル
転移をする物質は、どのようなものであってもよい。種
々の高分子化合物から、微小流路に流す試料や溶媒等の
他の物質と反応したり、影響を与えたりしないものを選
択できる。
おいて見られる現象である。高分子は、溶液中でコロイ
ド状に存在し、この状態をゾルという。高分子間の架橋
形成を徐々に進行させると、高分子溶液は、液体状のゾ
ルから柔らかい固体状のゲルに変化する。このようなゾ
ル−ゲル転移を刺激により起こす物質としては、約55
℃で可逆的なゾル−ゲル転移を起こすメチルセルロース
やゼラチン、約10V/cmの電場を与えることにより
ゾル−ゲル転移を起こすN−イソプロピルアクリルアミ
ドが好ましく例示される。とくに好ましくは、無害で室
温において安定なゾル状態となるメチルセルロースであ
る。
る流れの制御方法において、以上のとおりの刺激でゾル
−ゲル転移をする物質の濃度、分子量、架橋度等は、流
体の粘度を著しく上昇させることなく、流体中に含まれ
る試料や流体等の他の物質に影響を与えない程度であれ
ば、とくに限定されない。発明者らの鋭意研究によれ
ば、濃度が0.1〜1wt%で粘度が水の10〜100
程度のものとすることが好ましい。もちろん、高粘度の
流体の挙動を分析する場合など、状況に応じてこの範囲
外の濃度や粘度としてもよい。
る流れの制御方法において、対象となるマイクロシステ
ムは、微小流路を有し、流体の流れを部分的に停止ある
いは流量や流速を調整できるバルブを有することが望ま
しいものであれば、その形状、材質、サイズ等はとくに
限定されない。この出願の発明のマイクロシステムにお
ける流れの制御方法は、とくに微小な流路における流れ
を温度等の刺激により精度高く制御できるものである。
流体中の物質のゾル−ゲル転移を応用するものであるこ
とから、流路の径が、1〜500μm程度と微細である
ほど切り替え速度が短縮されるといえる。例えば、流路
の径を10μm程度とすれば、ミリ秒単位の速度での切
り替えも可能となる。もちろん、この出願の発明のマイ
クロシステムにおける流れの制御方法においては、マイ
クロシステム上の流路の径は、これらに限定されない。
方法によって流体の流れを制御するマイクロシステムを
も提供する。このようなマイクロシステムは、以上のと
おりに、ゾル−ゲル転移する物質を添加した流体に刺激
を与えることにより流れを停止したり流量や流速を調整
したりできるものであれば、その形状、材質、サイズ、
用途等はとくに限定されない。
イクロシステムを含有する装置をも提供する。例えば、
微量の試料で分析が可能な電気化学センサーや電気泳動
装置などの分析機器や、微量の出発物質を用いての合成
を可能とする化学反応器などが挙げられる。もちろん、
この出願の発明の装置は、これらに限定されず、その用
途、構成、サイズ、材質等は種々のものが考慮される。
し、この発明の実施の形態についてさらに詳しく説明す
る。もちろん、この発明は以下の例に限定されるもので
はなく、細部については様々な態様が可能であることは
言うまでもない。
れるようなY字型の分岐点を有する微小流路(入り口:
幅150μm、深さ50μm、出口:幅75μm、深さ
50μm)を作成した。
クスビーズを含む1重量%メチルセルロース溶液を流速
1.5μL/minで流した。
ラにより撮影し(Dage−MTI社製CCD−300
−RC)、その1フレーム(33ミリ秒露光)を図2
(a)および(b)に示した。図2(a)および(b)
より、Y字型の微小流路中を流体が流れる様子が観察さ
れた。
の入り口付近に、波長1480nm、出力0.8Wの赤
外レーザーを照射した。赤外レーザーを照射している際
の微小流路における流体の流れを撮影したところ、赤外
レーザーを照射した方の微小流路においてメチルセルロ
ースがゲル化し、流路が塞がれたことが確認された(図
2(c))。
ころ、メチルセルロースのゲルは直ちにゾルとなり、再
びY字型の流路全体を流体が流れる様子が観察された
(図2(d))。
外レーザーの照射にすばやく応答し、繰り返し使用でき
る高性能の微小バルブとして作用することが確認され
た。
よって複雑なバルブ構造を用いることなく、マイクロシ
ステムにおける流体の流れを停止したり、流量や流速を
調整する簡便な方法が提供される。
御方法を例示した概念図である。
するマイクロシステムにおける流れを撮影した画像を示
す図である。(a:赤外レーザー照射前、b:赤外レー
ザー照射前、c:赤外レーザー照射、d:赤外レーザー
照射停止、矢印:流れ方向)
Claims (7)
- 【請求項1】 マイクロシステムにおける流体の流れを
制御する方法であって、マイクロシステムの微小流路を
流れる流体に、刺激によりゾル−ゲル転移する物質を添
加し、微小流路上の所望の箇所に刺激を与え、流体をゲ
ル化させて流れを制御することを特徴とするマイクロシ
ステムにおける流れの制御方法。 - 【請求項2】 刺激が温度変化である請求項1のマイク
ロシステムにおける流れの制御方法。 - 【請求項3】 刺激が電圧である請求項1のマイクロシ
ステムにおける流れの制御方法。 - 【請求項4】 温度変化が赤外線の局所的照射によって
起こるものである請求項2のマイクロシステムにおける
流れの制御方法。 - 【請求項5】 刺激によりゾル−ゲル転移を起こす物質
が、メチルセルロースである請求項1ないし4のいずれ
かのマイクロシステムにおける流れの制御方法。 - 【請求項6】 請求項1ないし5のいずれかの流れの制
御方法によって流体の流れを制御するマイクロシステ
ム。 - 【請求項7】 請求項6のマイクロシステムを含有する
装置。
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