JP2005264875A - 貼付用マイクロポンプ内蔵シート - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロタスシステムを容易に製造することができる貼付用マイクロポンプ内蔵シートを提供する。
【解決手段】 マイクロポンプ２が内蔵された基材シート１ａの一面に、粘接着剤層が積層されると共に該マイクロポンプ２の少なくとも１つの吸排気口４，６が該粘接着剤層面に開口されている貼付用マイクロポンプ内蔵シート。マイクロポンプ２は水素ポンプであることが好ましく、水素ポンプが、固体電解質膜と、その両面に積層された水素透過性電極と、その外側に形成された微細流路３，５よりなり、一方の微細流路が開口された吸排気口に接続されているのが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロタスシステム（ｍｉｃｒｏ−ｔｏｔａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｙ
ｓｔｅｍ）に使用される貼付用マイクロポンプ内蔵シートに関する。

最近、医療診断を患者の近傍で行うベッドサイド診断、大気や水や土壌中の環境汚染物
質のモニタリング、食品の安全性検査等現場において短時間に安価に診断したり分析する
技術のニーズは非常に高くなってきている。

例えば、従来高価且つ大型の装置を必要とした分析を、持ち運び可能な小型の分析装置
が代替できれば、大病院にしか設置できなかった分析装置を開業医でも設置、利用するこ
とが可能になり、診断結果を患者に簡便に早期にフィードバックすることが可能になる。

又、高齢者の健康指標を高齢者の家族が測定し、その健康指標数値を在宅管理したり、
病院に定期的に送信して病院で管理することにより在宅医療環境がより優れたものとなる
。

又、環境ホルモン、ダイオキシン等の環境汚染物質を、高価且つ大型装置を使用するこ
となく、簡易測定することができれば、簡単且つ安価に環境診断することができる。更に
、持ち運び可能な小型の分析装置を用いて現場で環境汚染物質を分析することができれば
、よりきめ細かい安全環境を供出することができる。

このような測定を簡易に行うために、基板内又は基板上に微細流路、反応槽、電気泳動
カラム、膜分離機構、液体クロマトグラフカラム、キャピラリーガスクロマトグラフィー
（ＣＧＣ）、キャピラリーグラフィー（ＩＬＣ）、誘導型プラズマ（ＩＣＰ）、質量分析
計（ＭＳ）、電気化学的測定装置等が内蔵されたマイクロタスシステムの研究が盛んにな
されている。

例えば、シリコン、石英、ガラス、有機高分子重合体などの基材に、エッチング法によ
り細い溝を形成して、液体流路や分離用ゲルチャンネルとし、必要に応じて、ガラス板な
どのカバーをその表面に密着させて使用するマイクロタスシステムが開示されている。こ
のようなマイクロタスシステムに液体を流す場合には、マイクロシリンジや微量送液ポン
プなどにより圧送することにより、流量調節を行う方法が採られていた（例えば、非特許
文献１参照。）。

又、複数のマイクロタスシステムであっても容易に送液でき、且つ、抽出、透析、膜分
離などの用途において、分流後の各流路の流量を調節することが可能なマイクロタスシス
テムとして、（イ）部材（Ａ）と部材（Ｂ）の間に、流路となる部分を除いて固体状物質
を充填することにより、もしくは（ロ）表面に溝を有する部材（Ａ）の溝が形成された面
に他の部材（Ｂ）を接着することにより、互いに接着された部材（Ａ）と部材（Ｂ）との
間に、部材（Ａ）と部材（Ｂ）との接着面に垂直な方向から見て幅１〜１０００μm 、奥
行き１〜１０００μm の毛細管状の流路が形成された微小ケミカルデバイスであって、（
１）毛細管状の流路の途上に空隙部を有し、該空隙部の幅が毛細管状の流路の幅の０．５
〜１００倍であって、該空隙部の最大の奥行きと最大の幅との比が１以下であること（た
だし、該空隙部の部材（Ａ）と部材（Ｂ）との接着面と平行な面における流路方向の長さ
を空隙部の長さ、該空隙部の該流路方向に対して垂直となる断面における該接着面に平行
な方向の寸法及び垂直な方向の寸法をそれぞれ空隙部の幅及び奥行きとする。）、（２）
部材（Ａ）及び部材（Ｂ）の少なくとも一方が、空隙部に相対する部分が引張弾性率が１
〜７００ＭＰａの素材で構成されており、かつ、そのような引張弾性率を有する素材で構
成された空隙部に相対する部分の厚みの最小値が１０〜３０００μm の範囲にあること、
及び（３）毛細管状の流路の途上に設けられた空隙部を、上記（２）で規定された引張弾
性率と厚みとを有する部分を隔てて圧迫する機構を有すること、を特徴とする微小ケミカ
ルデバイスが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
「サイエンス」（１９９８年、第２８２巻、第４８４頁） 特開２００１−７０７８４号公報

しかし、上記マイクロタスシステムにおいては、同一基板内に、微細流路、反応槽、濃
縮装置、分析測定装置等の全ての装置を組み込む必要があり、マイクロタスシステムの構
造が複雑になり、製造が困難であるという欠点があった。

本発明の目的は、上記欠点に鑑み、マイクロタスシステムを容易に製造することができ
る貼付用マイクロポンプ内蔵シートを提供することにある。

本発明の貼付用マイクロポンプ内蔵シートは、マイクロポンプが内蔵された基材シート
の一面に、粘接着剤層が積層されると共に該マイクロポンプの少なくとも１つの吸排気口
が該粘接着剤層面に開口されていることを特徴とする。

本発明で使用される基材シートの素材は、特に限定されるものではなく、例えば、従来
から使用されてきている、ガラス、石英、シリコン等の無機材料、熱可塑性樹脂、熱硬化
性樹脂等が挙げられる。

上記無機材料は精度、加工性等が優れており、例えば、半導体微細加工技術において広
く用いられている光リソグラフィー技術を利用すれば、ガラスやシリコン基板上にミクロ
ンオーダーの溝を自在に形成することができる。

上記熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポ
リ乳酸系樹脂、ポリアクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂等が挙げられ、耐酸性、耐
アルカリ性を有する熱可塑性樹脂であるポリオレフィン系樹脂やポリアクリル系樹脂が好
ましい。

又、熱硬化性樹脂は、未硬化時には、液状あるいは可塑性を有するパテ状であるものを
用いれば、硬化後には転写金型の形状をより忠実に転写できるという利点があり、低い線
膨張率、低い成形収縮率を示すので有利に用いることができる。このような熱硬化樹脂と
しては、コストや易取扱い性の点から、エポキシ樹脂を有利に用いることができる。

尚、本発明の貼付用マイクロポンプ内蔵シートはマイクロタス用基板に貼付して使用さ
れるものなので柔軟性を有しているのが好ましい。

本発明で使用されるマイクロポンプは基材シートに内蔵される。マイクロポンプとは、
その駆動部の総体積が１ｃｍ³ 以下のポンプを意味し、従来公知の任意のマイクロポンプ
が使用可能であり、例えば、ダイヤフラム構造をＭＥＭＳ加工技術によりそのまま小型化
したダイヤフラムポンプ（例えば、特許文献２参照。）、微小ピストンによる断続的に送
液するポンプ（例えば、特許文献３参照。）、微細流路上に電気浸透流を発生させる方法
による送液媒体の送液を行うポンプ（例えば、特許文献４参照。）等が挙げられる。
特開２００１−１３２６４６号公報 特開２００２−０２１７１５号公報 特開平１０−１００８８号公報

しかし、上記マイクロポンプは、構造が複雑であり、濃縮部や検出部を作成する労力に
比べてポンプの作成労力が非常に大きい、ダイヤフラム構造やピストン構造のポンプは送
液媒体に脈動が生じる、電気浸透流を用いるポンプは高電圧の印加が必要である等の欠点
を有しているのに対し、水素ポンプはこのような欠点がなく、電極および配線以外の全て
の材質を加工性の良い高分子樹脂で形成することが可能であり、極限的に微小化すること
も容易なので水素ポンプ（例えば、特許文献５参照。）が好ましい。
ＵＳＰ３，４８９，６７０号公報

本発明で使用される粘接着剤は、従来公知の任意の粘接着剤が使用可能であり、例えば
、ゴム系粘接着剤、アクリル系粘接着剤、シリコン系粘接着剤、ウレタン系粘接着剤、ス
チレンーイソプレンースチレン共重合体系粘接着剤、スチレンーブタジエンースチレン共
重合体系粘接着剤、エポキシ樹脂系接着剤、イソシアネート系接着剤等が挙げられる。

次に、図面を参照して本発明の貼付用マイクロポンプ内蔵シートを説明する。図１は本
発明の貼付用マイクロポンプ内蔵シートの一例を示す平面図であり、図２は、図１におけ
るＡ−Ａ断面図である。

図中、１ａは上部基材シートであり、１ｂは下部基材シートである。上部基材シート１
ａと下部基材シート１ｂの間に水素ポンプ２，２が内蔵されている。又、下部基材シート
１ｂには粘接着剤層９が積層されている。

水素ポンプ２は供給用微細流路３により、上部基材シート１ａに設けられた供給口４に
連通されると共に、排気用微細流路５により、下部基材シート１ｂ及び粘接着剤層９に設
けられた排気口６に連通されている。

８は導電性パターンであり、上部基材シート１ａに設けられた電極パッドに電気的に接
続されている。

図３は、水素ポンプ２の拡大断面図である。図中１１は固体電解質膜である。固体電解
質膜１１は、パーフルオロイオン交換膜等の水素イオンは透過するが、水素ガス及び電子
は実質的に透過しない固体電解質膜である。

固体電解質膜１１の両面には一対の水素透過性電極１２ａ、１２ｂが積層されており、
水素透過性電極１２ａ、１２ｂにはそれぞれ導電パターン８，８が接続されている。水素
透過性電極１２ａには水素をイオン化させるための触媒（例えば、白金等）が担持されて
いてもよい。

固体電解質膜１１と水素透過性電極１２ａ、１２ｂと導電パターン８，８は上部基板１
ａと下部基板１ｂにより挟持されており、水素透過性電極１２ａと上部基板１ａの間及び
水素透過性電極１２ｂと下部基板１ｂの間にそれぞれ上部貯蔵部１４ａ及び下部貯蔵部１
４ｂが形成されている。

上部基板１ａには、上部貯蔵部１４ａに連通した供給用微細流路３が形成され、下部基
板１ｂには、下部貯蔵部１４ｂに連通した排気用微細流路５が形成されている。
又、導電パターン８，８の間にはポリイミドフィル等の絶縁層１３が介在されている。

水素透過性電極１２ａ、１２ｂの電源としては、交流電源から直流変換装置を有する電
源や、一次電池、二次電池、太陽電池、燃料電池などの直流電源（必要に応じてＤＣ−Ｄ
Ｃ変換装置を有してもよい。）が挙げられ、特に、ダイレクトメタノール燃料電池が好ま
しく、マイクロタスシステムにダイレクトメタノール燃料電池が内蔵しておき、該ダイレ
クトメタノール燃料電池により発生された電気を水素透過性電極に通電するのが好ましい
。

上記水素ポンプ２で水素を送るには、供給口４から上部貯蔵部１４ａに水素又は水蒸気
を供給し、水素透過性電極１２ａと水素透過性電極１２ｂに、水素透過性電極１２ａが正
極になり、水素透過性電極１２ｂが負極になるように電圧を印加する。

電圧が印加されると、水素透過性電極１２ａでは、水素はプロトンＨ⁺ になり、水蒸気
は分解してプロトンＨ⁺ あるいはその水分子複合体が発生する。プロトンＨ⁺ あるいはそ
の水分子複合体は固体電解質膜１１を透過し、水素透過性電極１２ｂから電子を受け取り
、下部貯蔵部１４ｂで水素ガスが生成される。この水素ガスが排気口６から排出されポン
プとして作用する。

上記水素ポンプ２に水素を供給するために、基材シートにに異なる水素ポンプを連設し
てもよいし、水蒸気を供給するために水蒸気貯蔵室を連設してもよい。
この場合両方の水素ポンプは、各々の水素発生量を連動して制御する装置を備えている
のが好ましい。

詳細な例については後述するが、水素透過性電極に印加する電圧の向きを変えることに
より、水素ガスを発生させ供給流路内を加圧したり、水素ガスをプロトンＨ⁺ に変換し供
給流路内を減圧したりすることが出来る。
又、印加する電流を制御することにより、加圧、減圧の加減を調整することが出来る。

次に、本発明の貼付用マイクロポンプ内蔵シートを用いたマイクロタスシステムを説明
する。図４はマイクロタス用基板２０の１例を示す平面図である。

マイクロタス用基板２０には、試料貯留槽２１、試薬貯留槽２２、混合槽２３、検出部
２４及び廃液貯留槽２５が内蔵されており、試料貯留槽２１と混合槽２３、試薬貯留槽２
２と混合槽２３、混合槽２３と検出部２４及び検出部２４と廃液貯留槽２５はそれぞれ微
細流路２７，２７・・で連通されている。

試料貯留槽２１には試料を注入するための、開口された微細流路２８が連通され、試薬
貯留槽２２には試薬を注入するための、開口された微細流路２９が連通され、廃液貯留槽
２５には廃液を排出するための、開口された微細流路３０が連通されている。

又、試料貯留槽２１及び試薬貯留槽２２には、マイクロタス用基板２０の上面に開口さ
れた水素供給口２６に連通された微細流路２７が形成されている。

前記貼付用マイクロポンプ内蔵シートの排気口６とマイクロタス用基板２０の水素供給
口２６が合致するように貼付用マイクロポンプ内蔵シートとマイクロタス用基板２０を重
ね合わせ、粘接着剤層９で貼付することにより、マイクロタスシステムが得られる。

上記マイクロタスシステムで測定する方法を説明する。先ず、試料貯留槽２１に試料を
マイクロシリンジ等で微細流路２８から注入し、試薬貯留槽２２に試薬をマイクロシリン
ジ等で微細流路２９から注入する。

次に、供給口４から上部貯蔵部１４ａに水素又は水蒸気を供給し、電極パッド７，７・
・に電源を接続し電圧を印加すると下部貯蔵部１４ｂで発生した水素ガスにより試料貯留
槽２１の試料及び試薬貯留槽２２の試薬が押出され、混合槽２３に供給されて混合される
。混合された混合液は検出部２４に供給され測定され、測定終了した混合液は廃液として
廃液貯留槽２５に供給され貯留又は微細流路３０から排出される。

尚、予め供給口４から上部貯蔵部１４ａに水素又は水蒸気を供給し、電極パッド７，７
・・に電源を接続し電圧を印加して下部貯蔵部１４ｂに水素ガスを供給しておき、微細流
路２８、２９を試料容器又は試薬容器と接続し、電極パッド７，７・・に逆の電圧を印加
すると、下部貯蔵部１４ｂ内の水素ガスは上部貯蔵部１４ａに移動し、下部貯蔵部１４ｂ
内は減圧されて試料又は試薬は微細流路２８、２９を通って試料貯留槽２１又は試薬貯留
槽２２に注入される。

上記検出部２４に設置される検出装置としては、従来からマイクロタスシステムに使用
されている任意の検出装置が挙げられ、例えば、質量分析計（ＭＳ）；ボルタンメトリ法
、ストリッピングボルタンメトリ法、アンペロメトリ法、ポテンシオメトリー法、クーロ
ンメトリ法等の電気化学的測定装置；光学的測定装置等が挙げられる。

又、上記マイクロタスシステムには、従来からマイクロタスシステムに使用されている
試料を反応させるための反応槽；電気泳動カラム、膜分離機構、液体クロマトグラフカラ
ム、キャピラリーガスクロマトグラフィー（ＣＧＣ）、キャピラリーグラフィー（ＩＬＣ
）、誘導型プラズマ（ＩＣＰ）等の試料を濃縮するための濃縮装置；溶離液槽等が内蔵さ
れていてもよい。

又、上記マイクロタスシステムで使用される試料貯留槽、試薬貯留槽、反応槽、濃縮装
置、溶離液槽等が本発明の貼付用マイクロポンプ内蔵シートに形成されてもよいことは言
うまでもない。

又、上記マイクロタスシステムを使用する際には、高圧で動作することがあるが、マイ
クロタスシステム内が高圧になると圧力により貼付用マイクロポンプ内蔵シートが剥離し
てしまうことがある。

このような場合には、マイクロタスシステムを押さえ治具で押さえて剥離しないように
して測定するのが好ましい。

図５は押さえ治具でマイクロタスシステムを固定した状態を示す説明図である。押さえ
治具は、上部押さえ板４１と下部押さえ板４２とボルト４５とネジ４６よりなり、上部押
さえ板４１の下面には電線４４が接続された電極パッド４３が設置されている。

マイクロタス用基板には本発明の貼付用マイクロポンプ内蔵シート３０が粘接着されて
マイクロタスシステムが形成されており、マイクロタスシステムは貼付用マイクロポンプ
内蔵シート３０の電気パッド７が上部押さえ板４１の電極パッド４３に当接するように上
部押さえ板４１と下部押さえ板４２で挟持され、ボルト４５とネジ４６より固定されてい
る。

従って、マイクロタスシステム内が高圧になっても貼付用マイクロポンプ内蔵シート３
０が剥離することなく測定することができる。

本発明の貼付用マイクロポンプ内蔵シートの構成は上述の通りであり、マイクロポンプ
をマイクロタス用基板とは別部品として製造するのであるから、構造が簡単で製造が容易
である。

又、マイクロタス用基板もマイクロポンプを内蔵しないのであるから、構造が簡単で製
造が容易であり、且つ、マイクロタスシステムを構築するには、マイクロタス用基板の必
要な部位に貼付用マイクロポンプ内蔵シートを貼すればよく、容易に製造することができ
る。

本発明の貼付用マイクロポンプ内蔵シートの一例を示す平面図である。 図１におけるＡ−Ａ断面図である。 水素ポンプ２の拡大断面図である。 マイクロタス用基板２０の１例を示す平面図である。 押さえ治具でマイクロタスシステムを固定した状態を示す説明図である。

符号の説明

１ａ 上部基材シート
１ｂ 下部基材シート
２ 水素ポンプ
３ 供給用微細流路
４ 供給口
５ 排気用微細流路
６ 排気口
７ 電気パッド
８ 導電性パターン
９ 粘着剤層
１１ 固体電解質膜
１２ａ、１２ｂ 水素透過性電極
１４ａ 上部貯蔵部
１４ｂ 下部貯蔵部
２０ マイクロタス用基板
２１ 試料貯留槽
２２ 試薬貯留槽
２３ 混合槽
２４ 検出部
２５ 廃液貯留槽
２６ 水素供給口
２７ 微細流路
３０ 貼付用マイクロポンプ内蔵シート

Claims (4)

1. マイクロポンプが内蔵された基材シートの一面に、粘接着剤層が積層されると共に該マ
   イクロポンプの少なくとも１つの吸排気口が該粘接着剤層面に開口されていることを特徴
   とする貼付用マイクロポンプ内蔵シート。
2. マイクロポンプが水素ポンプであることを特徴とする請求項１記載の貼付用マイクロポ
   ンプ内蔵シート。
3. 水素ポンプが、固体電解質膜と、その両面に積層された水素透過性電極と、その外側に
   形成された微細流路よりなり、一方の微細流路が開口された吸排気口に接続されているこ
   とを特徴とする請求項２記載の貼付用マイクロポンプ内蔵シート。
4. 基材シートの他面に電極パッドが積層され、該電極パッドと水素透過性電極が電気的に
   接続されていることを特徴とする請求項３記載の貼付用マイクロポンプ内蔵シート。

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