JP2005246203A - マイクロ化学システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 マイクロチップの流路中を流れている試料溶液の流れを制御できるマイクロ化学システムを提供する。
【解決手段】 マイクロ化学システム１は、主流路２、副流路３、主流路２と副流路３が合流する合流部４とからなるＴ字型の流路４を内部に備えるマイクロチップ７と、副流路３の内部が加熱できる位置に設置されたパネルヒータ８，９とを備える。副流路３と合流部４には疎水化処理が施されており、主流路２には水、副流路３には空気が供給される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロ化学システムに関し、特に、主流路中の試料溶液の流れを制御するマイクロ化学システムに関する。
従来から、化学反応を微小空間で行うための集積化技術が、化学反応の高速性や微少量での反応、オンサイト分析等の観点から注目されており、そのための研究が、世界的に精力的に進められている。
化学反応の集積化技術の１つとして微細な流路の中で試料溶液の混合、反応、分離、抽出、検出等を行う所謂マイクロ化学システムがある。このマイクロ化学システムで行われるものとしては反応の例として、ジアゾ化反応、ニトロ化反応、抗原抗体反応などがあり、抽出、分離の例として溶媒抽出、電気泳動分離、カラム分離などがある。マイクロ化学システムは、分離だけを目的としたような単一の機能のみで用いられても良く、また複合的に用いられても良い。
上記の機能のうち、分離のみを目的としたものとして、極微量のタンパクや核酸等を分析する電気泳動装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。これは互いに接合された２つのガラス基板から成るマイクロ化学システム用チップ（以下単に「マイクロチップ」という）を備えている。この部材は板状であるので、断面が円形又は角形のガラスキャピラリーチューブに比べて破損しにくく、取り扱いが容易である。
また、マイクロチップ中の流路中の試料溶液の流れを制御する所謂マイクロバルブとして、以下のような構造のものが開示されている。
例えば、第１の従来技術では、マイクロニードルを先端に付けたマイクロステッピングモータをマイクロバルブとして開示する（例えば、非特許文献１参照）。
このマイクロバルブはマイクロステッピングモータ８０を駆動してマイクロニードル８１を上下させるものであり（図９（ａ））、マイクロニードル８１を下に移動させることでマイクロチップ８２内の流路８３を閉じ（図９（ｂ））、マイクロニードル８１を上に移動させることでマイクロチップ８２内の流路８３を開ける（図９（ｃ））。
また、例えば、第２の従来技術では、光照射のオン・オフのみでマイクロチップの流路内の試料溶液の流れ方向を制御可能な光制御型微小スイッチングバルブ（Micro Optical Switching Valve）をマイクロバルブとして開示する（例えば、非特許文献２参照）。
このマイクロバルブは、ＰＤＭＳを材質とするＴ型の溝に酸化チタンをコートした石英基板と接合することで形成された流路と、Ｈｅ−Ｃｄレーザとから成る。
図１０に示すように、上記形成された流路のうち、１つの流路９０から供給された試料溶液を流入させたい流路９２にのみＨｅ−Ｃｄレーザ（不図示）でＵＶ光を酸化チタン表面９１側から照射し、その流路９２の表面を超親水化させることで、シリンジポンプ等により供給された試料溶液を上記超親水化した流路９２にのみ流入するようにし、ＵＶ光を照射しなかった流路９３には流入しないよう制御する。
さらに、第３の従来技術では、上記第２の従来技術と同様の方法で超親水化した表面を非常に微小な範囲について形成し、マイクロチップの流路を流れる流体の流速を制御する方法が開示されている（特許文献２参照）。
この方法は、液晶パネルは、黒表示のときＵＶ光の透過率が小さく、逆に白表示のときＵＶ光の透過率が大きいという特徴を利用したものである。具体的にはマイクロチップ１００の流路１０２の上に液晶パネル１０１を載置し、流路１０２のうち親水性を高めたい部分に対応する部分１０３の液晶パネル１０１の表示を白表示に、液晶パネル１０１のそれ以外の部分１０４を黒表示とする。この状態で紫外線照射装置１０５を液晶パネル１０１を介して流路１０２に照射して流路１０２のうち液晶パネル１０１の部分１０３を透過したＵＶ光が照射された部分のみが親水性とし、流路１０２中の試料１０６の流れを制御する（図１１）。
特開平８−１７８８９７号公報 Keisuke Morishima 等著「Development Of Micro Needle-Head Slide Valve Unit For Microfluidic Devices」7th International Conference on Miniaturized Chemical and Biochemical Analysis Systems (μTAS2003) 永井秀典等著「光制御型微小スイッチングバルブの開発」第８回化学とマイクロナノシステム研究会講演要旨集P40,P2-03発表 特開２００２−２１４２４３号公報
しかしながら、従来技術１のマイクロバルブは、マイクロステッピングモータによるマイクロニードルの位置を制御する際に、微細なマイクロチップ内の流路を破損等するおそれがあった。また構造が複雑であるため更なる微小化が困難であり、また周辺にバルブ駆動に必要な加圧・減圧専用のマイクロチャネルが必要で高集積化に不向きであるという問題がある。
一方、従来技術２のマイクロバルブは、マイクロチップの流路中をすでに試料溶液が流れている場合、その流れを止めることはできないという問題がある。
また、従来技術３のマイクロバルブは、液晶パネルを使用するため更なる微小化が困難であり、また周辺に液晶パネルの駆動に必要な電気回路が必要で高集積化に不向きであるという問題がある。さらに、マイクロチップの流路中を流れている試料溶液を止めることはできないという問題もある。
本発明の目的は、マイクロチップの流路中を流れている試料溶液の流れを制御できるマイクロ化学システムを提供することにある。
請求項１記載のマイクロ化学システムは、内部に流路を有するマイクロチップを備えるマイクロ化学システムにおいて、前記流路は、親水性の高い液体を流す主流路と、流体を充填する副流路と、前記副流路が前記主流路に合流する合流部とを備え、前記主流路の表面は、前記副流路の表面及び前記合流部の表面より親水性が高く、前記マイクロ化学システムは、前記流体を前記副流路と前記合流部の間で移動させる移動手段を備えることを特徴とする。
請求項２記載のマイクロ化学システムは、請求項１記載のマイクロ化学システムにおいて、前記移動手段は、前記流体を膨張・収縮させることにより前記流体の移動制御を行うことを特徴とする。
請求項３記載のマイクロ化学システムは、請求項１記載のマイクロ化学システムにおいて、前記移動手段は、前記流体を圧送することにより前記流体の移動制御を行うことを特徴とする。
請求項４記載のマイクロ化学システムは、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロ化学システムにおいて、前記副流路の表面及び前記合流部の表面は疎水化処理が施されていることを特徴とする。
請求項５記載のマイクロ化学システムは、内部に流路を有するマイクロチップを備えるマイクロ化学システムにおいて、前記流路は、流体を流す主流路と、親水性の高い液体を充填する副流路と、前記副流路が前記主流路に合流する合流部とを備え、前記副流路の表面及び前記合流部の表面は、前記主流路の表面より親水性が高く、前記マイクロ化学システムは、前記液体を前記副流路と前記合流部の間で移動させる移動手段を備えることを特徴とする。
請求項６記載のマイクロ化学システムは、請求項５記載のマイクロ化学システムにおいて、前記移動手段は、前記液体を圧送することにより前記液体を移動させることを特徴とする。
請求項７記載のマイクロ化学システムは、請求項５又は６記載のマイクロ化学システムにおいて、前記副流路の表面及び前記合流部の表面は親水化処理が施されていることを特徴とする。
請求項８記載のマイクロ化学システムは、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のマイクロ化学システムにおいて、前記液体と前記流体は相溶性がないことを特徴とする。
請求項９記載のマイクロ化学システムは、請求項１乃至８のいずれか１項記載のマイクロ化学システムにおいて、前記副流路の断面積が前記主流路の断面積より小さいことを特徴とする。
請求項１０記載のマイクロ化学システムは、請求項９記載のマイクロ化学システムにおいて、前記副流路中に、当該副流路の断面積より大きな断面積を有する溜め部を有することを特徴とする。
請求項１記載のマイクロ化学システムによれば、マイクロチップ中の親水性の高い液体を流す主流路の表面は、副流路の表面及び前記合流部の表面より親水性が高く、流体を副流路と合流部の間で移動させるので、上記親水性の高い液体と上記流体の界面に生じる表面張力が主流路を流れていた上記液体の流れを止めるマイクロバルブとしての機能を発揮し、マイクロチップの流路中を流れている試料溶液の流れを制御できる。
請求項２記載のマイクロ化学システムによれば、流体を膨張・収縮させることによりこの流体の移動制御を行うので、マイクロチップの流路中を流れている試料溶液の流れを確実に制御できると共に、マイクロ化学システムの高集積化を図ることができる。
請求項３記載のマイクロ化学システムによれば、流体を圧送することによりこの流体の移動制御を行うので、マイクロチップの流路中を流れている試料溶液の流れを確実に制御できる。
請求項４記載のマイクロ化学システムによれば、副流路の表面及び合流部の表面は疎水化処理が施されているので、簡易且つ確実に本マイクロ化学システムを製造することができる。
請求項５記載のマイクロ化学システムによれば、マイクロチップ中の親水性の高い液体を充填する副流路の表面及び合流部の表面は、主流路の表面より親水性が高く、副流路に流す液体を副流路と合流部の間で移動させるので、上記親水性の高い液体と上記流体の界面に生じる表面張力が副流路を流れていた上記流体の流れを止めるマイクロバルブとしての機能を発揮し、マイクロチップの流路中を流れている試料溶液の流れを制御できる。
請求項６記載のマイクロ化学システムによれば、副流路の親水性の高い液体を圧送することによりこの液体を移動させるので、マイクロチップの流路中を流れている試料溶液の流れを確実に制御できる。
請求項７記載のマイクロ化学システムによれば、副流路の表面及び合流部の表面は親水化処理が施されているので、簡易且つ確実に本マイクロ化学システムを製造することができる。
請求項８記載のマイクロ化学システムによれば、上記親水性の高い液体と上記流体は相溶性がないので、合流部で上記液体と上記流体が溶け混じることがなく、主流路中の流れを確実に止めることができる。
請求項９記載のマイクロ化学システムによれば、副流路の断面積が主流路の断面積より小さいので、副流路内に充填される流体等の圧力を簡単に制御することができる。
請求項１０記載のマイクロ化学システムによれば、副流路中に、この副流路の断面積より大きな断面積を有する溜め部を有するので、副流路中を流れる流体、例えば、親水性の高い液体の移動制御を確実に行うことができる。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ化学システムの構造を示す斜視図である。
図１において、マイクロ化学システム１は、内部に幅１００μｍ、深さ５０μｍの主流路２、幅５０μｍ、深さ２５μｍの副流路３、主流路２の一部であって主流路２と副流路３が合流する部分を形成する合流部４とからなるＴ字型の流路を内部に備えるマイクロチップ７と、副流路３の内部が加熱できる位置に設置されたパネルヒータ８，９とを備える。また、マイクロチップ７は、主流路２及び副流路３の端部から試料溶液等を供給・排出する後述する図２の貫通孔２１ａ，２１ｂ，２１ｃと接続するが、本図においては省略する。
マイクロチップ７は、ガラス製であって、ソーダライムガラス、アルミノ硼珪酸ガラス、アルミノ珪酸ガラス、無アルカリガラス、石英ガラス等のガラスのいずれを用いてもよいが、親水性が最も高い石英ガラスを用いるのがより好ましい。
図２は、図１におけるマイクロチップの製造処理を説明するのに用いられる図である。
図２において、先ず、板状基板６の表面に、主流路２、副流路３を構成する流路となる溝２０をフッ酸エッチング法により一括に又は個別に形成し（図２（ａ））、板状基板５にはドリルによる孔開け加工でマイクロチップ７内の流路に試料溶液等を供給・排出するための貫通穴２１ａ，２１ｂ，２１ｃを形成する（図２（ｂ））。
板状基板６に形成された溝２０の表面のうち、図１の主流路２となる部分２２にマスキング剤を塗布後、ポリジメチルポリシロキサン（ＰＤＭＳ）等の有機シロキサンを溝２０の表面全体に塗布して加熱重合させ、次に、塗布したマスキング剤を除去する。これにより、溝２０の表面のうち、図１の副流路３と合流部４となる部分２３に疎水化処理を行う（図２（ｃ））。また、疎水化処理にパーフロロアルキルシランなどのフッ素化有機シラン化合物を用いてもよい。この処理の結果、部分２２における水の接触角は２０度以下であり、部分２３における水の接触角は７０度以上と親水性が低くなる、即ち疎水性が高くなる。
最後に、板状基板６の溝２０が覆われるように貫通孔２１ａ，２１ｂ，２１ｃが形成された板状基板５で貼り合わせ、マイクロチップ７を作成する（図２（ｄ））。
図３は、図１のマイクロ化学システムによるマイクロバルブ機構を説明するのに用いられる図である。
図３において、貫通孔２１ａから主流路２に水を供給すると共にこの供給された水を主流路２から貫通孔２１ｂに排出している状態（図３（ａ））で、貫通部２１ｃより空気を供給し、副流路３に充填する（図３（ｂ））。
次に、図１のパネルヒータ８，９で副流路３を加熱し、副流路３内の空気の体積を膨張させて合流部４まで空気を導入する。これにより主流路２内に気液界面が生じ、主流路２中の水において図２（ｃ）に示す疎水化処理された部分２３と親水性が高い部分２２の境界に留まろうとする圧力Ｐｇｍが発生する。この圧力が主流路２を流れていた水の流れを止めるマイクロバルブとしての機能を果たす。
この現象は、水のような親水性の液体で濡れ性が高いものは、親水性の高い部分２２で界面との接触を広げようとする一方、疎水性の高い部分２３で界面との接触狭めようとする、いわゆる表面張力により生じる。
但し、主流路２を流れる水の圧力Ｐ１が上述の圧力Ｐｇｍより大きい場合、主流路２を流れる水の流れを止めることができないため、貫通孔２１ａから主流路２に水を供給する際の圧力は一定値以下に制御する必要がある。
その後、図１のパネルヒータ８，９の加熱を中止すると、加熱膨張した空気の体積が冷えて収縮して副流路３に戻る圧力Ｐｇｇが発生する（図４（ａ））。この圧力Ｐｇｇが気液界面で留まろうとする圧力Ｐｇｍより大きくなった場合、空気は副流路３に戻り、主流路２の水は再び流れるようになる（図４（ｂ））。
本実施の形態のように、副流路３の断面積は主流路２の断面積より小さい方がよい。圧力Ｐｇｇの値を制御することが簡単となるからである。
また、本実施の形態で主流路２に供給した流体は水であったが、アルコール等の親水性の高い液体であればこれに限定されるものではない。
一方、本実施の形態で副流路３に供給した流体は空気であったが、主流路２を流れる流体との相溶性がないものであればこれに限定されず、他の気体又は液体であってもよい。これにより、副流路３に供給した流体が合流部４に移動したときに、主流路２中の液体が合流部４内に溶け出すことを防止できる。
また、この副流路３に液体を供給する場合、疎水性を有する有機溶媒、具体的にはベンゼン、トルエン、ケロシン等が例示できる。この場合、空気と異なり液体は加熱による体積変化は大きくないため、パネルヒータ８，９の代わりに、ベローズ４０を副流路３の一端に取り付けておき、合流部４に導入された後の上記有機溶媒はベローズ４０で圧送して副流路に戻すのが好ましい（図５）。
次に、本発明の第２の実施の形態に係るマイクロ化学システムについて説明する。
本発明の第２の実施の形態に係るマイクロ化学システムに使用されるマイクロチップは、その材質がガラス製でなくアクリル製であること、副流路及び主流路中の一部に設けられた合流部（図２（ｃ）の部分２３）に疎水化処理でなく親水化処理が施されていることを除き、基本的に本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ化学システム（図１〜図５）に使用されるマイクロチップと同じ構造を有する。
また、本実施の形態において部分２２に施される親水化処理は、先ず部分２３に酸化チタン薄膜をスパッタリング法等によりマスク蒸着で被覆し、ＵＶ光を照射することで行われる。
また、アクリル樹脂に対する水の接触角は通常５０度程度であるため、マイクロチップ７の部分２２における疎水性をより高くするため、第１の実施の形態と同様の疎水化処理（図２（ｃ））を施してもよい。
本実施の形態におけるマイクロチップ７はアクリル製であるが、疎水性を有する材質であればこれに限定されず、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート等のいずれを用いてもよいが、疎水性がある材質であればこれに限定されない。
図６は、本発明の第２の実施の形態に係るマイクロ化学システムによるマイクロバルブ機構を説明する図である。
図６において、貫通孔２１ａから主流路２にベンゼンを供給すると共に主流路２から貫通孔２１ｂへベンゼンを排出している状態で（図６（ａ））、貫通孔２１ｃより水を供給し、副流路３及び合流部４に充填する（図６（ｂ））。
水ーベンゼン界面において部分２３と部分２２の境界に留まろうとする圧力Ｐｇｍが第１の実施例と同様に発生し、主流路２を流れていたベンゼンの流れを止めるマイクロバルブとしての機能を果たす。
その後、ベローズ４０により合流部４内の水を副流路２へ抜くと、主流路２のベンゼンは再び流れるようになる。
本実施の形態で副流路３に供給した液体は水であったが、アルコール等の親水性の高い液体であればこれに限定されるものではない。
一方、本実施の形態で主流路２に供給した流体はベンゼンであったが、副流路３を流れる液体との相溶性がないものであればこれに限定されず、他の流体であってもよい。これにより、副流路３に供給した液体が合流部４に移動したときに、主流路２中の流体が合流部４内に溶け出すことを防止できる。
また、この主流路２に他の液体を供給する場合、疎水性を有する有機溶媒、具体的には、トルエン、ケロシン等が例示できる。これにより、副流路３に供給した液体が合流部４に移動したときに、主流路２中の流体が合流部４内に溶け出すことを防止できる。
また、上述のマイクロチップ７においては、副流路３は１本の流路で構成されていたが、図７（ａ）に示すように、合流部４において上流部側と下流部側に合流口を有する枝分かれした流路であってもよいし、また図７（ｂ）に示すように、合流部４へ流体を供給する流体供給路７１と合流部４に供給された流体を合流部４から抜け出させる流体抜出路７２とから成る流路であってもよい。
さらに、副流路３と貫通孔２１ｃの間に副流路３の断面積より大きな断面積を有する溜め部を有してもよい。これにより、副流路３中を流れる流体（第１の実施の形態における空気、第２の実施の形態における水等）の移動制御を確実に行うことができる。
また、図８に示すように、副流路３の合流部４側部分３２を主流路２と同じく親水性のある表面とし、副流路３のそれ以外の部分３３を疎水性のある表面としてもよい。これにより主流路２の流体を止めるバルブ機能として作用していた気体（空気など）を副流路３に戻してバルブ開の状態にするときに、副流路における気液界面が部分３１と部分３２の界面に留まろうとするため、副流路３中を流れる流体の移動制御をより確実に行うことができる。
本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ化学システムの構造を示す斜視図である。 図１におけるマイクロチップの製造処理を説明するのに用いられる図である。 図１のマイクロ化学システムによるマイクロバルブ機構を説明するのに用いられる図である。 図１のマイクロ化学システムによるマイクロバルブ機構を説明するのに用いられる図である。 図１のマイクロ化学システムの変形例の構造を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るマイクロ化学システムによるマイクロバルブ機構を説明するのに用いられる図である。 図１における副流路の変形例の構造を示す概略図である。 図１における副流路の変形例の構造を示す概略図である。 第１の従来技術に係るマイクロバルブ機構を説明するのに用いられる図である。 第２の従来技術に係るマイクロバルブ機構を説明するのに用いられる図である。 第３の従来技術に係るマイクロチップの流路を流れる流体の流速を制御する方法を説明するのに用いられる図である。
符号の説明
１ マイクロ化学システム
２ 主流路
３ 副流路
４ 合流部
７ マイクロチップ
８，９ パネルヒータ

Claims (10)

  1. 内部に流路を有するマイクロチップを備えるマイクロ化学システムにおいて、
    前記流路は、親水性の高い液体を流す主流路と、流体を充填する副流路と、前記副流路が前記主流路に合流する合流部とを備え、前記主流路の表面は、前記副流路の表面及び前記合流部の表面より親水性が高く、
    前記マイクロ化学システムは、前記流体を前記副流路と前記合流部の間で移動させる移動手段を備えることを特徴とするマイクロ化学システム。
  2. 前記移動手段は、前記流体を膨張・収縮させることにより前記流体の移動制御を行うことを特徴とする請求項１記載のマイクロ化学システム。
  3. 前記移動手段は、前記流体を圧送することにより前記流体の移動制御を行うことを特徴とする請求項１記載のマイクロ化学システム。
  4. 前記副流路の表面及び前記合流部の表面は疎水化処理が施されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロ化学システム。
  5. 内部に流路を有するマイクロチップを備えるマイクロ化学システムにおいて、
    前記流路は、流体を流す主流路と、親水性の高い液体を充填する副流路と、前記副流路が前記主流路に合流する合流部とを備え、前記副流路の表面及び前記合流部の表面は、前記主流路の表面より親水性が高く、
    前記マイクロ化学システムは、前記液体を前記副流路と前記合流部の間で移動させる移動手段を備えることを特徴とするマイクロ化学システム。
  6. 前記移動手段は、前記液体を圧送することにより前記液体を移動させることを特徴とする請求項５記載のマイクロ化学システム。
  7. 前記副流路の表面及び前記合流部の表面は親水化処理が施されていることを特徴とする請求項５又は６記載のマイクロ化学システム。
  8. 前記液体と前記流体は相溶性がないことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のマイクロ化学システム。
  9. 前記副流路の断面積が前記主流路の断面積より小さいことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のマイクロ化学システム。
  10. 前記副流路中に、当該副流路の断面積より大きな断面積を有する溜め部を有することを特徴とする請求項９記載のマイクロ化学システム。
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