JP2005321266A - マイクロ化学システム用チップ - Google Patents

Abstract

【課題】 流路中にデッドボリュームが発生するのを防止でき、且つ流路内の簡易な圧力調整の下、液体の定量的な送液を行うことができるマイクロ化学システム用チップを提供する。
【解決手段】 マイクロ化学システム用チップ１は、内壁親水性の上流側主流路１０ａ、相対的に内壁疎水性の合流部２０、及び内壁親水性の下流側主流路１０ｂから成る主流路１０と、合流部２０と接続した内壁疎水性の副流路３０、４０とを備える。副流路３０は開閉弁３３に接続され、副流路は空気吸引ユニット１５に接続されている。疎水−親水境界面５０における境界面維持力Ｐ１０は、疎水−親水境界面６０における境界面維持力Ｐ２０より小さい。上流側主流路１０ａや下流側主流路１０ｂが水で満たされ、合流部２０が空気で満たされた状態で、空気吸引ユニット１５を作動させた上で、開閉弁３３の開閉動作させることにより、合流部２０内の液体は下流側主流路１０ｂに向かって送液される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロ化学システム用チップに関し、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用チップに関する。

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、カラム分離等がある。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よく、また複合的に用いられてもよい。

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。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、マイクロチップの流路中の試料溶液の流れを制御するものとして、以下のような流路が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

図７に示すように、マイクロチップ内部の流路６１は、その中央部に疎水領域６４が形成されると共に、その疎水領域６４よりＬだけ上流側で気体導入流路６５が接続され、さらに、この気体導入流路６５より上流側で試料溶液導入流路６２及び戻り流路６３が接続されている。また、気体導入流路６５は、流路６１と接続する部分に疎水領域６６を有する。

この流路６１は以下のように試料溶液の流れを制御する。

まず、試料溶液導入流路６２から流路６１に試料溶液を導入すると、導入された試料溶液は流路６１と疎水領域６４との界面で停止し、また、疎水領域６６を越えて気体導入流路６５には流れない。これは、試料溶液に疎水領域６４，６６の境界面で留まろうとする表面張力が生じるからである。このとき、試料溶液導入流路６２から導入された試料溶液が多量であり、流路６１内に留めることができない場合は、戻り流路６３から余剰量を戻す。

次に、気体取り入れ経路６５から流路６１に気体を導入すると、導入された気体により試料溶液導入流路６２内に留められていた試料溶液はミクロ液滴として疎水領域６４を通って流路６１の下流に流れる。このミクロ液滴の容積は、長さＬ及び流路６１の流路断面積を変えることにより調節される。
特表２００１−５１８６１４号公報

しかしながら、上記従来の方法による試料溶液の流れの制御には、気体導入流路６５から導入される気体の圧力を試料溶液が疎水領域６４の境界面で留まろうとする表面張力より大きくする必要があるため、その圧力を相当大きくしなくてはならないという問題があった。

また、上述のように導入される気体の圧力が相当大きくなるため、流路６１内の試料溶液が試料溶液導入流路６２や戻り流路６３に逆流しないよう、試料溶液導入流路６２及び戻り流路６３を閉じるようにしたり、試料溶液導入流路６２から過剰の試料溶液を注入する等、内部の圧力の調整が複雑となるという問題があった。

また、戻り流路６３には試料溶液導入流路６２の余剰溶液が残留し易く、即ちデッドボリュームが発生し易いため、経時的に変化し易い液体を流路６１に流すことができないという問題があった。

本発明の目的は、流路中にデッドボリュームが発生するのを防止でき、且つ流路内の簡易な圧力調整の下、液体の定量的な送液を行うことができるマイクロ化学システム用チップを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載のチップは、液体を流す内壁親水性の主流路であって、前記親水性より相対的に内壁疎水性の合流部を有する主流路を備えるマイクロ化学システム用チップにおいて、前記合流部の上流側部において前記主流路に接続された内壁疎水性の第１の副流路と、前記合流部の下流側部において前記主流路に接続された内壁疎水性の第２の副流路と、前記第１の副流路、前記合流部及び前記第２の副流路の順に流体を間欠的に移動させる移動手段とを備えることを特徴とする。

請求項２記載のチップは、請求項１記載のチップにおいて、前記合流部の上流側部における疎水−親水境界面での前記液体と前記流体との境界面維持力が前記合流部の下流側部における疎水−親水境界面での前記液体と前記流体との境界面維持力より小さいことを特徴とする。

請求項３記載のチップは、請求項２記載のチップにおいて、前記合流部の上流側における前記主流路の流路断面積当たり流路周囲長が前記合流部の下流側における前記主流路の流路断面積当たり流路周囲長より小さいことを特徴とする。

請求項４記載のチップは、請求項３記載のチップにおいて、前記合流部の流路断面積当たり流路周囲長が前記上流側部から前記下流側部に向かって漸増していることを特徴とする。

請求項５記載のチップは、請求項２乃至４のいずれか１項に記載のチップにおいて、前記合流部の上流側部における疎水−親水境界面での純水の接触角の変化が前記合流部の下流側部における疎水−親水境界面での純水の接触角の変化より小さいことを特徴とする。

請求項６記載のチップは、請求項５記載のチップにおいて、前記合流部の内壁疎水性が前記上流側部から前記下流側部に向かって漸増していることを特徴とする。

請求項７記載のチップは、請求項２乃至６のいずれか１項に記載のチップにおいて、前記合流部より下流側における前記主流路の内壁親水性は、前記合流部より上流側における前記主流路の内壁親水性より大きいことを特徴とする。

請求項８記載のチップは、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のチップにおいて、前記第２の副流路の流路断面積当たり流路周囲長は、前記合流部の流路断面積当たり流路周囲長より大きいことを特徴とする。

請求項９記載のチップは、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のチップにおいて、前記移動手段は、前記第１の副流路に設けられた開閉弁と、前記第２の副流路に接続された流体吸引ユニットとを備えることを特徴とする。

請求項１０記載のチップは、請求項９記載のチップにおいて、前記移動手段は、さらに、前記第２の副流路に設けられた前記合流部前記流体吸引ユニットへの一方向弁を備えることを特徴とする。

請求項１１記載のチップは、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のチップにおいて、前記移動手段は、前記第１の副流路に接続された気体往復動手段と、前記気体往復動手段と前記合流部の間に設けられ、前記気体往復動手段から前記合流部への第１の一方向弁とを備え、前記第２の副流路は前記気体往復動手段と前記第１の一方向弁の間に接続され、前記移動手段は、さらに、前記第２の副流路に設けられ、前記合流部から前記気体往復動手段への第２の一方向弁を備えることを特徴とする。

請求項１２記載のチップは、請求項１１記載のチップにおいて、前記気体往復動手段は、前記第１の副流路に接続された流体溜めと、前記流体溜め内の流体を加熱する加熱ユニットとを備えることを特徴とする。

請求項１３記載のチップは、請求項１１記載のチップにおいて、前記気体往復動手段は、前記第１の副流路に接続されたベローズと、前記ベローズを動作させる動作ユニットとを備えることを特徴とする。

請求項１４記載のチップは、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のチップにおいて、前記流体は気体であることを特徴とする。

請求項１記載のチップによれば、液体を流す内壁親水性の主流路であって、その親水性より相対的に内壁疎水性の合流部を有する主流路と、合流部の上流側部において主流路に接続された内壁疎水性の第１の副流路と、合流部の下流側部において主流路に接続された内壁疎水性の第２の副流路と、第１の副流路、合流部及び第２の副流路の順に流体を間欠的に移動させる移動手段とを備えるので、流路中にデッドボリュームが発生するのを防止でき、且つ流路内の簡易な圧力調整の下、液体の定量的な送液を行うことができる。

請求項２記載のチップによれば、合流部の上流側部における疎水−親水境界面での液体と流体との境界面維持力が合流部の下流側部における疎水−親水境界面での液体と流体との境界面維持力より小さいので、液体の定量的な送液を確実に行うことができる。

請求項３記載のチップによれば、合流部の上流側における主流路の流路断面積当たり流路周囲長が合流部の下流側における主流路の流路断面積当たり流路周囲長より小さいので、合流部の上流側部における液体と流体との境界面維持力を合流部の下流側部における液体と流体との境界面維持力より容易に小さくすることができる。

請求項４記載のチップによれば、合流部の流路断面積当たり流路周囲長が上流側部から下流側部に向かって漸増しているので、合流部の上流側部における液体と流体との境界面維持力を合流部の下流側部における液体と流体との境界面維持力より確実に容易に小さくすることができる。

請求項５記載のチップによれば、合流部の上流側部における疎水−親水境界面での純水の接触角の変化が合流部の下流側部における疎水−親水境界面での純水の接触角の変化より小さいので、合流部の上流側部における液体と流体との境界面維持力を合流部の下流側部における液体と流体との境界面維持力より容易に小さくすることができる。

請求項６記載のチップによれば、合流部の内壁疎水性が上流側部から下流側部に向かって増大しているので、合流部の上流側部における液体と流体との境界面維持力を合流部の下流側部における液体と流体との境界面維持力より確実に小さくすることができる。

請求項７記載のチップによれば、合流部より上流側における主流路の内壁親水性は、合流部より下流側における主流路の内壁親水性より大きいので、合流部の上流側部における液体と流体との境界面維持力を合流部の下流側部における液体と流体との境界面維持力より容易に小さくすることができる。

請求項８記載のチップによれば、第２の副流路の流路断面積当たり流路周囲長は、合流部の流路断面積当たり流路周囲長より大きいので、合流部内の液体を確実に下流側主流路に送液することができる。

請求項９記載のチップによれば、移動手段は、第１の副流路に設けられた開閉弁と、第２の副流路に接続された流体吸引ユニットとを備えるので、流体の間欠的な移動を確実に行うことができる。

請求項１０記載のチップによれば、移動手段は、さらに、第２の副流路に設けられた合流部から流体吸引ユニットへの一方向弁を備えるので、流体が合流部から流体吸引ユニットに向かって流れるのを許容すると共に、逆の流れを禁止することができる。

請求項１１記載のチップによれば、移動手段は、第１の副流路に接続された気体往復動手段と、気体往復動手段と前記合流部の間に設けられ、気体往復動手段から合流部への第１の一方向弁と、第２の副流路に設けられ、合流部から気体往復動手段への第２の一方向弁を備えるので、流体の間欠的な移動を簡単な構成で実現することができる。

請求項１２記載のチップによれば、気体往復動手段は、第１の副流路に設けられた流体溜めと、流体溜め内の流体を加熱する加熱手段とを備えるので、気体の往復動を簡単な構成で実現することができる。

請求項１３記載のチップによれば、気体往復動手段は、第１の副流路に設けられたベローズと、ベローズを往復動させる動作ユニットとを備えるので、気体の往復動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、本発明の実施の形態に係るマイクロ化学システム用チップの構成を概略的に示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は線Ｉｂ−Ｉｂに沿う断面図であり、（ｃ）は流路の内壁の表面処理状態を示す。

図１において、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）１は、後述する流路用の溝を備えるガラス基板１ａと、該溝を覆うようにガラス基板１ａに接合されたガラス基板１ｂとを備える。

ガラス基板１ａの溝によって画成される流路は、幅が広く内壁親水性の上流側主流路１０ａ、ディフューザー部２０ａが上流側主流路１０ａと接続すると共に、幅が狭く且つ上流側主流路１０ａの親水性よりも相対的に内壁疎水性の合流部２０、及び合流部２０と接続すると共に、幅が合流部２０と同じ且つ上流側主流路１０ａと同じ程度に内壁親水性の下流側主流路１０ｂから成る主流路１０と、ディフューザー部２０ａにおいて合流部２０と接続した内壁疎水性の副流路３０と、下流側主流路１０ｂ側において合流部２０と接続した内壁疎水性の副流路４０とを備える。合流部２０及び副流路３０，４０の各内壁が疎水性であることは、図１（ｃ）においてハッチングで示されている。

上流側主流路１０ａ及び下流側主流路１０ｂは、幅及び深さ共に、例えば数百マイクロメートル以下の流路断面積が小さい微小流路（マイクロチャンネル）である。副流路３０，４０の幅は下流側主流路１０ｂの幅より狭いことが望ましい。上流側主流路１０ａ、下流側主流路１０ｂ、及び合流部２０の深さは同じ且つ一定である。また、副流路３０，４０の深さは、合流部２０等の深さより浅いか同じ深さである。

ガラス基板１ｂは、上流側主流路１０ａに連通する貫通孔１１と、副流路３０に連通する貫通孔１２と、副流路４０に連通する貫通孔１３と、下流側主流路１０ｂに連通する貫通孔１４とを備える。貫通孔１１には、親水性の試料溶液を上流側主流路１０ａに導入する不図示の試料溶液導入部が接続され、貫通孔１２は、例えば電磁弁から成る開閉弁３３を介して大気に開放され、あるいはマイクロコンプレッサにより加圧され（図１（ｃ））、貫通孔１３には、副流路４０から空気を排出すべく空気吸引ユニット１５が接続され（図１（ｃ））、貫通孔１４には、下流側主流路１０ｂから排出される試料溶液を受容する試料溶液排出部が接続されている。開閉弁３３は、不図示の制御ユニットにより開閉動作が制御される。

さらに、副流路４０には、空気が合流部２０から貫通孔１３に向かって流れるのを許容すると共に、逆の流れを禁止する一方向弁１３ａ（不図示）を設けてもよい。一方向弁１３ａは、一方向弁機能を持つ気体アイソレータで構成される。

上記において、流路内壁の「親水性」とは、内壁に付着した純水のその面に対する接触角が小さいことをいい、同「疎水性」とは、内壁に付着した純水のその面に対する接触角が大きいことをいう。

このように、図１のマイクロチップ１には、上流側主流路１０ａと合流部２０の間に疎水−親水境界部５０が形成され、合流部２０と下流側主流路１０ｂの間には疎水−親水境界部６０が形成される（図１（ｃ））。

以下、図１のマイクロチップ１における疎水−親水境界面５０，６０等で生起する境界面維持力について説明する。

本説明では、説明の便宜上、上流側主流路１０ａに導入される流体は親水性液体、具体的には水とし、副流路３０に導入される流体は疎水性気体、具体的には空気とする。

図１のマイクロチップ１のように微小流路の場合、疎水−親水境界面において流路内壁面に、液滴を付着させると、疎水性側壁面は液滴をはじくように作用し、親水性側壁面は液滴を取り込むように作用するので疎水性壁面上の液滴は安定せずにその全て又は大部分が親水性壁面上に移動して、液滴は疎水−親水境界面を跨いで広がることなく界面エネルギー状態が安定する。このような流路内壁面上の液体の挙動は、疎水−親水境界面付近において流路の断面中心部まで影響を及ぼすので、流路の内壁が疎水側と親水側に分割されて疎水−親水境界面を有する場合、親水側流路に充満たされた液体と疎水側流路に満たされた気体は、その疎水−親水境界面付近で界面を形成して安定的に維持される。

このように、流路断面が小さい微小流路内の疎水−親水境界面における液体の挙動は、重力の影響よりも、流路内壁面と液体の界面張力による規制力に支配されるようになり、液体・気体間の境界面維持力は、（１）液体に対する流路内壁面の界面張力因子（親水性の大小）と、（２）流路の断面形状因子とに依存する。

前者（１）の液体に対する流路内壁面の界面張力因子の影響は、流路内壁面の親水性が不連続に大きく変化する（疎水−親水境界面）ほど大きく、即ち、流路内壁面に対する純水の接触角が急激に変化するほど大きくなる。

後者（２）の流路の断面形状因子は、流路内壁周囲長Ｌが大きいほど、また流路断面積Ｓが小さいほど大きく、即ち、流路断面積当たりの流路周囲長（Ｌ／Ｓ）が大きいほど大きくなる。

また、後者（２）の方法では、図１に示すように、合流部２０のディフューザー部２０ａにおいて流路断面積当たりの流路周囲長（Ｌ／Ｓ）が下流側主流路１０ｂ側から上流側主流路１０ａ側に向かって漸増している。これにより、疎水−親水境界面５０における境界面維持力Ｐ１０を疎水−親水境界面６０における境界面維持力Ｐ２０より確実に小さくすることができる。

疎水側流路に満たされる気体は、親水側流路に満たされる親水性液体と表面エネルギーが異なり相溶性がなければ、空気に限定されず、他の気体であってもよく、このような気体以外にも、例えば有機溶媒のような液体であってもよい。これらの気体や液体は、疎水性であるのが望ましいが、境界界面維持力が確保され、界面を安定的に形成維持されるのであれば親水性であってもよい。本実施の形態においては、疎水側流路に満たされる流体は、合流部２０への導入や排出を確実に行うことができるという観点からは気体、具体的には空気が用いられている。

また、本実施の形態に係る図１のマイクロチップ１では、上流側主流路１０ａ及び下流側主流路１０ｂの内壁面が同じ親水性であり、合流部２０の内壁面が相対的に疎水性であることから、疎水−親水境界部５０における内壁の純水に対する接触角θ１は、疎水−親水境界部６０における内壁の純水に対する接触角θ２と同じであるのに対して、上流側主流路１０ａの断面積が下流側主流路１０ｂの断面積より大きいことから、上流側主流路１０ａと合流部２０の間の疎水−親水境界部５０における流路断面積当たり流路周囲長（Ｌ１／Ｓ１）が合流部２０と下流側主流路１０ｂの間の疎水−親水境界部６０における流路断面積当たり流路周囲長（Ｌ２／Ｓ２）より小さいので（図２）、疎水−親水境界部５０における境界面維持力Ｐ１０は、疎水−親水境界部６０における境界面維持力Ｐ２０より小さい。

また、図１のマイクロチップ１において、第２の副流路４０の流路断面積当たり流路周囲長は、合流部２０の流路断面積当たり流路周囲長より大きいので、合流部２０内の試料溶液は、副流路４０へは流れにくく下流側主流路１０ｂへは流れ易い。なお、合流部２０内の空気は、空気吸引ユニット１５による空気吸引により強制的に副流路４０に流れる。

図３（ａ）〜図３（ｃ）は、図１のマイクロチップの作動原理を説明するのに用いられる図である。

本説明では、説明の便宜上、上流側主流路１０ａに導入される流体は親水性液体、具体的には水とし、副流路３０に導入される流体は疎水性気体、具体的には空気とする。

図３（ａ）において、まず、主流路１０全体に液体を導入すると、内壁親水性の上流側主流路１０ａや下流側主流路１０ｂは、水で満たされ、内壁疎水性の合流部２０は、水がはじかれて空気で満たされる（図３（ａ））。

次いで、空気吸引ユニット１５を作動させた上で、開閉弁３３を閉状態にして合流部２０を負圧にすると、疎水−親水境界面５０における境界面維持力Ｐ１０が疎水−親水境界面６０における境界面維持力Ｐ２０より小さいことから、疎水−親水境界面６０は維持されるが、疎水−親水境界面５０は均衡が破られて、上流側主流路１０ａ内の液体が合流部２０に流入する（図３（ｂ））。

次いで、空気吸引ユニット１５を作動させたまま、開閉弁３３を開状態にすると、大気圧又は正圧により外気が副流路３０を介して合流部２０に導入されて、合流部２０内に導入された気体は下流側主流路１０ｂに向かって移動し、その後副流路４０を介して空気吸引ユニット１５に吸引される。これにより、合流部２０内の液体は下流側主流路１０ｂに向かって送液される（図３（ｃ））。このとき空気吸引ユニット１５を停止もしくは不図示の副流路内のバルブを閉状態にすると、合流部２０内の液体はより確実に送液される。さらに、開閉弁３３を再び閉じることにより、図３（ａ）の状態を経て図３（ｂ）の状態になる。

このように、図１のマイクロチップ１は、以上の動作を繰り返すことにより、副流路３０、合流部２０及び副流路４０の順に空気が間欠的に移動して液体のマイクロポンプとして作用し、もって、主流路１０中にデッドボリュームが発生するのを防止でき、且つ主流路１０内の簡易な圧力調整の下、試料溶液の定量的な送液を行うことができる。

また、このようなマイクロポンプは、開閉弁３３を開状態にすることにより、上流側主流路１０ａ及び下流側主流路１０ｂ間の合流部２０の液体を気体で隔離することができることから、マイクロバルブとして機能させることもできる。

図４は、図１のマイクロチップの製造方法を説明するのに用いられる図である。

図４において、同一材質、同一形状の２枚のガラス基板１ａ，１ｂを用意する（図４（ａ），図４（ｂ））。

ガラス基板１ａ，１ｂは、表面が親水性の板状基板であればよく、例えば、石英ガラス、ソーダライムシリカガラス、アルミノ瑳酸ガラス(パイレックス（登録商標）)、アルミノ硼珪酸ガラス、無アルカリガラス（ＮＡ３０等のＴＦＴ液晶用ガラス）など、表面が清浄であれば純水の接触角は約２０°以下となるものを用いるのが好ましい。

ガラス基板１ａ，１ｂとして、上記ガラスを用いることにより、上流側主流路１０ａ及び下流側主流路１０ｂは、水又は水溶液に対して親水性となる。

次いで、ガラス基板１ａに、感光性フォトレジストを用いる光露光法により、クロム膜６０ｎｍと金膜４００ｎｍの２層積層金属マスキング膜を図１（ｃ）に示す溝形状の部分を除いて被覆し、ガラス基板１ａのマスキングされない部分をフッ酸硝酸混合エッチング液でエッチングし、その後、マスキング膜を剥離して、ガラス基板１ａに溝１０を作成する（図４（ｃ））。

次に、ガラス基板１ａに作成された溝のうち、上流側主流路１０ａ及び下流側主流路１０ｂを画成する内壁部分にフォトレジストのマスキング膜を被覆し、マスキング剤が被覆されていない部分に、ｎ-オクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）、オクタデシルジメテルクロロシラン、パーフルオロデシルトリクロロシラン（ＦＤＴＳ）、フルオロアルキル基、アミノアルキル基、フェニル基等の有機基を有するシラン、メタクリロキシプロピルトリメトキンシシラン（ＭＡＯＰ）等の撥水性化合物を含む液を被覆し、加熱によリガラス基板１ａとの結合を増強させ、その後、フォトレジストのマスキング膜を剥離して、合流部２０、副流路３０，４０となる内壁に疎水性処理を施す。この疎水性処理は、自動車用の窓ガラスの撥水剤として市販されているレインＸ撥水剤(ユネルコ社製)を用いて行ってもよい（図４（ｄ））。疎水性は、純水の接触角が７０度以上であるのが好ましいが、９０度以上がより好ましい。

一方、ガラス基板１ｂには、貫通孔１１，１２，１３，１４をガラス基板１ａの溝の位置に合わせて微小ドリルでの孔あけ加工し、ガラス板１ｂと同様の方法により合流部２０及び副流路３０，４０の内壁となる部分に上述した疎水性処理を施す（図４（ｅ））。

以上の処理を行った後、ガラス基板１ｂに形成された貫通孔１１，１２，１３，１４がガラス基板１ａに形成された溝１０の端部に一致するように位置あわせしつつガラス基板１ａをガラス基板１ｂに接合して、マイクロチップ１を製造する（図４（ｆ））。

上記製造方法では、合流部２０の内壁に疎水処理を施しているが、疎水性の材料を使用し、合流部２０に疎水処理を施すことなく、上流側主流路１０ａや下流側主流路１０ｂの内壁面の親水性が合流部２０のものより増大するように上流側主流路１０ａや下流側主流路１０ｂの内壁面に親水処理を施してもよい。親水性を増大するためには、スパッタリング真空成膜方法等により内壁面に酸化チタンの光触媒を被覆し、この光触媒に紫外線照射処理を施す。

上記実施の形態では、疎水−親水境界面５０における境界面維持力Ｐ１０を疎水−親水境界面６０における境界面維持力Ｐ２０より小さくする方法として、疎水−親水境界面５０における合流部２０の疎水性（純水の接触角θ１）と疎水−親水境界面６０における合流部２０の疎水性（純水の接触角θ２）を同じとし、疎水−親水境界面５０における流路断面積当たり流路周囲長（Ｌ１／Ｓ１）を疎水−親水境界面６０における流路断面積当たり流路周囲長（Ｌ２／Ｓ２）より小さくしているが、その他に、疎水−親水境界面５０における流路周囲長（Ｌ１／Ｓ１）を疎水−親水境界部６０における流路断面積当たり流路周囲長（Ｌ２／Ｓ２）を同じとして、（１）疎水−親水境界面５０における合流部２０の内壁疎水性（純水の接触角θ１’）と疎水−親水境界面６０における合流部２０の内壁疎水性（純水の接触角θ２’）とを変える方法（図５（ａ））と、（２）疎水−親水境界面５０における上流側主流路１０ａの内壁親水性（純水の接触角θ１”）と疎水−親水境界面６０における下流側主流路１０ｂの内壁親水性（純水の接触角θ２”）とを変える方法（図５（ｂ））とがある。

前者（１）の方法では、図５（ａ）に示すように、上流側主流路１０ａと下流側主流路１０ｂにおける内壁親水性は同じであるが、合流部２０の内壁疎水性の程度を下流側主流路１０ｂ側から上流側主流路１０ａ側に向かって漸増している。これにより、疎水−親水境界面５０における境界面維持力Ｐ１０を疎水−親水境界面６０における境界面維持力Ｐ２０より確実に小さくすることができる。

合流部２０の内壁疎水性を上流側主流路１０ａから下流側主流路１０ｂに向かって漸増する疎水処理方法は、ガラス材で形成された合流部２０の内壁に前述の有機シランの撥水性化合物を被覆し、その後紫外線照射処理を施す。その際、紫外線照射量を上流側主流路１０ａ側から下流側主流路１０ｂ側に向かって漸減させて撥水性化合物のガラス内壁との結合力を上流側で小さくし、もって内壁疎水性に上流から下流に向かって勾配を形成する方法が採用できる。

後者（２）の方法では、図５（ｂ）に示すように、合流部２０の内面疎水性が主流路１０の流れ方向に関して一定であり、下流側主流路１０ｂの内壁親水性（純水の接触角θ２”）が上流側主流路１０ａの内壁親水性より一層親水性になるように下流側主流路１０ｂの内壁に親水性処理を施す。これにより、疎水−親水境界面５０における境界面維持力Ｐ１０を疎水−親水境界面６０における境界面維持力Ｐ２０より容易に小さくすることができる。

下流側主流路１０ｂの内壁に施す親水性処理方法は、流路をガラス材で形成した下流側主流路１０ｂの内壁にスパッタリング真空成膜方法等により酸化チタンの光触媒を被覆し、この光触媒に紫外線照射処理を施す。

上記実施の形態では、合流部２０への空気の導入を空気吸引ユニット１５と開閉弁３３により行っているが、以下のように副流路３０内に封入した気体を熱によって膨張収縮することにより行うこともできる。

図６（ａ）は、図１における合流部２０に空気を導入する方法の他の変形例を説明するのに用いられる図である。 図６（ａ）において、副流路３０には、開閉弁３３と合流部２０の間において空気溜め３２が設けられ（接続され）ており、空気溜め３２の対応位置においてマイクロチップ１を挟むように、空気溜め３２内の空気を加熱するパネルヒータ３１が配置されている（一方の面にのみ貼付けてもよい）。また、副流路４０には、合流部２０からの空気の排出方向への流れは許容するが、その逆の流れは禁止する一方向弁１３ａが設けられている。

図６（ａ）において、合流部に液体が充たされ、開閉弁３３が閉状態のときに、パネルヒータ３１をオン作動させて空気溜め３２内の気体を膨張させ、合流部２０内の液体を下流側主流路１０ｂに押し出し、合流部２０に気体が充たされる。そのとき、空気は一方向弁１３ａを介して排出される。次いで、パネルヒータ３１をオフ作動させて空気溜め３２内の気体を収縮させるとともに副流路４０からの空気吸引により上流側主流路１０ａから合流部２０に液体が吸引され、合流部２０は液体で充たされる。次いで、その途中で開閉弁３３をオン作動させることにより、開閉弁３３を介して空気が空気溜め３２に流入する。以上の作動を繰り返すことにより、上流側主流路１０ａ内の液体を下流側主流路１０ｂに移送することができる。

図６（ｂ）は、図１における合流部２０に空気を導入する方法の他の変形例を説明するのに用いられる図である。

図６（ｂ）において、副流路３０には、開閉弁３３と合流部２０の間において空気溜め３２が設けられており、空気溜め３２の対応位置においてマイクロチップ１を挟むように、空気溜め３２内の空気を加熱するパネルヒータ３１が配置されている。また、副流路４０は空気溜め３２と合流部２０の間に、空気溜め３２から合流部２０への空気の流れは禁止するが、その逆は許容する一方向弁１３ａが設けられており、副流路４０は空気溜め３２と一方向弁１２ａの間に接続されている。一方向弁１２ａは、その構造が一方向弁１３ａと逆向きである。

図６（ｂ）において、開閉弁３３を閉状態のままにしてパネルヒータ３１をオン・オフ作動させることにより、空気溜め３２内の気体を膨張収縮させることができ、これにより、空気溜め３２内の気体は、膨張時に一方向弁１２ａを介して合流部２０に導入されて合流部２０内の流体を下流側主流路１０ｂに移動し、収縮時に一方向弁１３ａを介して合流部２０から吸引されて上流側主流路１０ａ内の流体を合流部２０に流入させ、もって上流側主流路１０ａ内の液体を下流側主流路１０ｂに移送することができる。

上記変形例では、パネルヒータ３１で副流路３０にある空気溜め３２の空気を加熱膨張させて合流部２０に導入していたが、空気溜め３２とパネルヒータ３１に代えて、副流路３０にベローズを設け、このベローズを動作させる動作ユニットを配置してもよい。これにより、空気の往復動を確実に行うことができる。

本発明に係るマイクロ化学システム用チップの構成を示す概略図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は線Ｉｂ−Ｉｂに沿う断面図であり、（ｃ）は流路の内壁の表面処理状態を示す。 図１におけるマイクロチップ１における疎水−親水境界面における境界面維持力を説明するのに用いられる図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図１のマイクロチップの作動原理を説明するのみ用いられる図である。 図１のマイクロチップ１の製造方法を説明するのに用いられる図である。 （ａ）は、図２の境界面維持力の発生方法の変形例を説明するのに用いられる図であり、（ｂ）は、図２の境界面維持力の発生方法の他の変形例を説明するのに用いられる図である。 （ａ）は、図１における合流部２０に空気を導入する方法の変形例を説明するのに用いられる図であり、（ｂ）は、図１における合流部２０に空気を導入する方法の他の変形例を説明するのに用いられる図である。 従来のマイクロチップによる試料溶液の送液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用チップ
１ａ，１ｂ ガラス基板
１０ａ 上流側主流路
１０ｂ 下流側主流路
１１，１２，１３，１４ 貫通孔
１２ａ，１３ａ 一方向弁
１５ 空気吸引ユニット（移動手段）
２０ 合流部
３０，４０ 副流路
３１ パネルヒータ（気体往復動手段）
３２ 空気溜め
３３ 開閉弁
５０，６０ 疎水−親水境界面

Claims (14)

1. 液体を流す内壁親水性の主流路であって、前記親水性より相対的に内壁疎水性の合流部を有する主流路を備えるマイクロ化学システム用チップにおいて、
   前記合流部の上流側部において前記主流路に接続された内壁疎水性の第１の副流路と、前記合流部の下流側部において前記主流路に接続された内壁疎水性の第２の副流路と、前記第１の副流路、前記合流部及び前記第２の副流路の順に流体を間欠的に移動させる移動手段とを備えることを特徴とするマイクロ化学システム用チップ。
2. 前記合流部の上流側部における疎水−親水境界面での前記液体と前記流体との境界面維持力が前記合流部の下流側部における疎水−親水境界面での前記液体と前記流体との境界面維持力より小さい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用チップ。
3. 前記合流部の上流側における前記主流路の流路断面積当たり流路周囲長が前記合流部の下流側における前記主流路の流路断面積当たり流路周囲長より小さい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用チップ。
4. 前記合流部の流路断面積当たり流路周囲長が前記上流側部から前記下流側部に向かって漸増している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用チップ。
5. 前記合流部の上流側部における疎水−親水境界面での純水の接触角の変化が前記合流部の下流側部における疎水−親水境界面での純水の接触角の変化より小さいことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載のマイクロ化学システム用チップ。
6. 前記合流部の内壁疎水性が前記上流側部から前記下流側部に向かって漸増し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用チップ。
7. 前記合流部より下流側における前記主流路の内壁親水性は、前記合流部より上流側における前記主流路の内壁親水性より大きいことを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１項に記載のマイクロ化学システム用チップ。
8. 前記第２の副流路の流路断面積当たり流路周囲長は、前記合流部の流路断面積当たり流路周囲長より大き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用チップ。
9. 前記移動手段は、前記第１の副流路に設けられた開閉弁と、前記第２の副流路に接続された流体吸引ユニットとを備える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用チップ。
10. 前記移動手段は、さらに、前記第２の副流路に設けられた前記合流部から前記流体吸引ユニットへの一方向弁を備え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用チップ。
11. 前記移動手段は、前記第１の副流路に接続された気体往復動手段と、前記気体往復動手段と前記合流部の間に設けられ、前記気体往復動手段から前記合流部への第１の一方向弁とを備え、前記第２の副流路は前記気体往復動手段と前記第１の一方向弁の間に接続され、前記移動手段は、さらに、前記第２の副流路に設けられ、前記合流部から前記気体往復動手段への第２の一方向弁を備えることを特徴とする請求項項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用チップ。
12. 前記気体往復動手段は、前記第１の副流路に接続された流体溜めと、前記流体溜め内の流体を加熱する加熱ユニットとを備えることを特徴とする請求項１１記載のマイクロ化学システム用チップ。
13. 前記気体往復動手段は、前記第１の副流路に接続されたベローズと、前記ベローズを動作させる動作ユニットとを備えることを特徴とする請求項１１記載のマイクロ化学システム用チップ。
14. 前記流体は気体であることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のマイクロ化学システム用チップ。

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