JP2006029485A - マイクロバルブ及び該バルブを有するマイクロ流体デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 マイクロ流体デバイス内で使用することができる、極めて簡単な構造のマイクロバルブを提供する。
【解決手段】 対面基板と、該対面基板の上面に貼り合わされる中間基板と、該中間基板の上面に貼り合わされる上面基板とからなる三層構造を有し、前記中間基板の一部に上面から下面に達する、幅を持たない亀裂のみの切開部からなることを特徴とするマイクロバルブ。
【選択図】 図３

Description

本発明はマイクロバルブに関する。更に詳細には、本発明は、マイクロ流体デバイス内で流体制御素子として使用可能なマイクロバルブに関する。

本発明は遺伝子解析などの化学／生化学分析などに広く使用されるマイクロ流体デバイスに関する。更に詳細には、本発明はマイクロ流体デバイスの基板内に形成された微細流路（マイクロチャネル）や反応容器内における流体の移送を制御するための逆止弁及び／又は開閉弁として機能するマイクロバルブに関する。

最近、マイクロスケール・トータル・アナリシス・システムズ（μＴＡＳ）又はラブ・オン・チップ(Lab-on-Chip)などの名称で知られるように、基板内にマイクロチャネルや反応容器及びポートなどの微細構造を設け、該微細構造内で物質の化学反応、合成、精製、抽出、生成及び／又は分析など各種の操作を行うように構成されたマイクロデバイスが提案され、一部実用化されている。このような目的のために製作された、基板内にマイクロチャネル、ポート及び反応容器などの微細構造を有する構造物は総称して「マイクロ流体デバイス」又は「マイクロチップ」と呼ばれる。マイクロ流体デバイスは遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニングなどの化学、生化学、薬学、医学、獣医学分野のみならず、化学工業、環境計測などの幅広い用途に使用できる。常用サイズの同種の装置に比べて、マイクロ流体デバイスは(1)サンプル及び試薬の使用量が著しく少ない、(2)分析時間が短い、(3)感度が高い、(4)現場に携帯し、その場で分析できる、及び(5)使い捨てできるなどの利点を有する。

従来のマイクロ流体デバイス１００は、例えば、図７Ａ及びＢに示されるように、第１の基板１０１に少なくとも１本の微細流路（マイクロチャネル）１０２が形成されており、このマイクロチャネル１０２の少なくとも一端には入出力ポート１０３，１０４が形成されており、基板１０１の下面側に対面基板１０５が接着されている。この対面基板１０５の存在により、ポート１０３，１０４及びマイクロチャネル１０２の底部が封止される。入出力ポート１０３，１０４の主な用途は、(a)試薬や検体サンプルの注入（分注）、(b)廃液や生成物の取り出し、(c)気体圧力の供給（主に、送液のための正圧や負圧の印加）、(d)大気開放（送液時に発生する内圧の分散や、反応で生じたガスの解放）及び(e)密閉（液体の蒸発防止や故意に内圧を発生させる目的のため）などである。

このようなマイクロ流体デバイスには連続的な流体（例えば、液体又は気体）の流れや、微小液滴の移送を制御する目的で、マイクロチャネルの途中にマイクロバルブが配設されることがある。このようなマイクロバルブは例えば、特許文献１、特許文献２及び特許文献３に記載されている。

特許文献１の図１に記載されているマイクロバルブは、太い第１の導管と、この第１の導管より細径に形成されると共に、一方の端部が第１の導管と連通するように連接された複数本の細管と、この細管より大径に形成されると共に、細管の他方の端部と連通するように連接された第２の導管を有し、細管の内壁面は疎水性に形成されていることからなる。このマイクロバルブによれば、第１の導管内に液体を導入した際に、この液体を境界とした第１の導管側の圧力と第２の導管側の圧力との圧力差に応じて第１の導管内の液体に位置を任意に制御することができる。しかし、特許文献１のマイクロバルブでは、複数本の細管を形成するのが非常に困難であるばかりか、圧力差が大きすぎると細管が破損される危険性がある。また、この細管部分だけを特異的に疎水性にする処理も非常に困難である。更に、特許文献１のマイクロバルブの細管は、逆止弁としての機能は発揮できず、しかもポンプを使用しなければ圧力差を発生させることができない。

特許文献２の図３に記載されているマイクロバルブは、２つのポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）マイクロ流路チップと１枚のメンブレンからなり、バルブ領域において変位するメンブレンが弁座に離着して作動流体通路を開閉する弁機構を有する。更に、このマイクロバルブでは、バルブ領域において駆動流体の圧力が作用する圧力室を有する駆動流体通路が前記メンブレンに接着して形成されており、圧力室に駆動流体の圧力を給排することによってメンブレンを変位させて弁座と離着させて一方弁として開閉するように構成されている。しかし、特許文献２に記載されているマイクロバルブは、弁座に離着するメンブランが圧力室に向かって片方向に変位するだけなので、バルブ開時のメンブランと弁座との隙間が不十分であり、流体の流動性が低く脈流が発生する原因となっていた。また、駆動流体の圧力はガラスパイプを介して真空ポンプから供給されるので、装置全体が複雑かつ高価となる。

特許文献３の図１には、構成要素として含む２つの部材の少なくとも一方が、少なくとも部材の一方の表面に達し、かつ、流体の流路をなす欠損部を有し、両部材が欠損部形成面を接触面として接着され、かつ、前記部材の一方の非欠損部の一部に対して前記部材の他方が非接着部とされ、常態において、前記非接着部が前記非欠損部の一部に当接して前記流路を遮断し、前記非接着部を変形させたときに、該流路が導通する構成とされているマイクロ流体デバイスが図示されている。しかし、このような、非接着部が非欠損部の一部に当接して流路を遮断する構造のバルブは、２つの平板部材の“貼り合わせ”の行為を行うため、非接着部と非欠損部との当接箇所では流体の流れを完全に遮断することが困難であった。特に、流体が気体の場合には、当接箇所の微小な隙間から漏出が発生してしまう。

特開２０００−２７８１３号公報 特許第３４１８７２７号明細書 特開２００３−１３９６６０号公報

従って、本発明の目的は、マイクロ流体デバイス内で使用することができ、極めて簡単な構造でありながら、液体及び気体の両方とも完全に遮断することができるマイクロバルブを提供することである。

前記課題を解決するための手段として請求項１に記載の発明は、対面基板と、該対面基板の上面に貼り合わされる中間基板と、該中間基板の上面に貼り合わされる上面基板とからなる三層構造を有し、前記中間基板の一部に上面から下面に達する、幅を持たない亀裂のみの切開部からなることを特徴とするマイクロバルブである。

前記課題を解決するための手段として請求項２に記載の発明は、前記中間基板は弾性材料から形成されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロバルブである。

前記課題を解決するための手段として請求項３に記載の発明は、前記中間基板はポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）から形成されていることを特徴とする請求項２記載のマイクロバルブである。

前記課題を解決するための手段として請求項４に記載の発明は、前記中間基板には微細流路及び／又はポートが形成されており、該微細流路及び／又はポート間を接続するために使用される請求項１〜３の何れかに記載のマイクロバルブである。

前記課題を解決するための手段として請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れかに記載のマイクロバルブを有することを特徴とするマイクロ流体デバイスである。

本発明のマイクロバルブは中間基板内に幅を持たない亀裂のみの切開部を設けるだけで構成することができ、特許文献１及び特許文献２に記載されたマイクロバルブに比べて構造が極めて簡単である。従って、その製造コストも比較にならないほど安価である。また、本発明のマイクロバルブは開閉弁として使用できるばかりか、逆止弁としても機能するので、マイクロ流体デバイス内の各反応ステップ間の間仕切りとして使用できる。そのため、多チャネルの流路から複数の検体を１つのポート内で反応させることが可能となる。また、マイクロバルブを開口させるための圧力を加減することにより、送出する液量の調整も可能である。

以下、図面を参照しながら本発明のマイクロバルブ及び該バルブを有するマイクロ流体デバイスの好ましい実施態様について具体的に説明する。
図１は、本発明のマイクロバルブを有するマイクロ流体デバイスの一例の概要平面図であり、図２は図１におけるII-II線に沿った断面図であり、図３は図１におけるIII-III線に沿った断面図である。

図１に示されるマイクロ流体デバイス１は、マイクロバルブ３を有する。マイクロバルブ３の一端には液体又は気体などの流体を供給するための、大気に向かって開口したポート５が連通されている。また、マイクロバルブ３の他端には中間溜まり７が連通されている。中間溜まり７は更に微細流路９に連通しており、この微細流路９の他端には液体又は気体などの流体を排出するための、大気に向かって開口したポート１１が連通されている。マイクロバルブ３の長さ（Ｌ）は０．１μｍ〜２０ｍｍの範囲内で適宜選択することができる。一般的に、マイクロバルブ３の長さ（Ｌ）が短い方が、流体押し出し圧力は小さくて済み、流体をゆっくりと移動させることができるが、バルブとしての閉塞能力が低くなる。一方、マイクロバルブ３の長さ（Ｌ）が長いと、バルブとしての閉塞能力は高くなるが、流体押し出し圧力も高くなり、流体は突発的に流動しはじめ制御が難しくなる。

図２に示されるように、本発明のマイクロ流体デバイス１は、対面基板１３と、中間基板１５と、上面基板１７とからなる三層構造になっている。マイクロバルブ３は中間基板１５に配設されている。マイクロバルブ３は中間基板１５の下面から上面に達する隙間の無い（すなわち、幅を持たない）亀裂のみの切開部からなる。中間基板１５には中間溜まり７及び微細流路９も配設されている。上面基板１７はマイクロバルブ３及び中間溜まり７の上部を封止するために必要である。ポート５及びポート１１は上面基板１７及び中間基板１５を貫通して開設されている。ポート５には流体送入用のチューブ１９を接続することができる。同様に、ポート１１には流体排出用のチューブ２１を接続することができる。チューブ１９の他端には図示されていないが、シリンジポンプ又は注射器などの公知慣用の圧送手段を接続することができる。チューブ２１の他端にも同様に、図示されていないが、シリンジポンプ又は注射器などの公知慣用の吸引手段を接続することができる。

中間基板１５は弾性材料から形成することが好ましい。弾性材料としては例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、天然ゴム、ネオプレンゴム、ウレタンゴム、フッ素ゴム、ブチルゴム、スチレンゴム、ニトリルゴム、ハイパロン及びアクリルゴムなどが好適に使用できる。マイクロバルブ３や微細流路９などを形成する作業適性の観点からＰＤＭＳが好ましい。中間基板１５の厚さは微細流路９の高さ（又は深さ）やマイクロバルブ３の閉塞能力などを考慮して適宜決定することができる。一般的に、中間基板１５の厚さは５００μｍ〜５ｍｍの範囲内であることが好ましい。中間基板１５内への微細流路の形成は常用の光リソグラフィー法により行うことができる。このような光リソグラフィー法による微細流路の形成は前記特許文献１及び特許文献２などにも詳述されている。

上面基板１７は中間基板１５と同様なＰＤＭＳ製であることもできるし、あるいは、別の合成樹脂（例えば、ポリカーボネート、アクリル樹脂、ポリスチレン、ポリプロピレン等）であるか、又は無機材料（例えば、ガラス、セラミック等）でもよい。上面基板１７の厚さは一般的に、１００μｍ〜２ｍｍの範囲内であることが好ましい。

対面基板１３はガラス、シリコン、ポリカーボネート、アクリル樹脂、ＰＤＭＳなどの材料から構成することができる。中間基板１５がＰＤＭＳ製である場合、このＰＤＭＳ中間基板１５と恒久接着させることができるガラスからなる対面基板１３を使用することが好ましい。対面基板１３の厚さは一般的に、５０μｍ〜１．５ｍｍの範囲内であることが好ましい。

中間基板１５がＰＤＭＳなどのような弾性材料から構成されているので、図３（Ａ）に示されるように、本発明のマイクロバルブ３は、大気圧又は負圧状態では、切開面同士が吸着し合っているので閉じた状態を維持する。一方、シリンジポンプ又は注射器などの公知慣用の圧送手段を用いてチューブ１９から液体又は気体などの流体を加圧しながら注入すると、この圧力により、図３（Ｂ）に示されるように、マイクロバルブ３の切開面が押し広げられて開口２３が生じ、この開口２３を介して流体はポート５から中間溜まり７及び微細流路９に向かって流される。チューブ１９からの加圧を停止し、圧力を大気圧に戻せば、バルブ３は中間基板１５自体の弾性と切開面の吸着性により自然に閉止する。ポート１１側から高圧を印加しなければ、マイクロバルブ３が開くことはないので、中間溜まり７及び微細流路９に送出された流体がポート５側に逆流することはない。この点で、本発明のマイクロバルブ３は逆止弁として機能することもできる。

マイクロバルブ３は例えば、中間基板１５の上面の所定箇所をカッター又はレーザで少しだけ切り込みを入れ、その後、手で裂くことにより、中間基板１５の上面から下面に達する深さを有するマイクロバルブ３が完成される。中間基板１５の上面から下面までカッター又はレーザでマイクロバルブ３を切開することもできる。その他の切り裂き方法も使用できる。重要なことは、切り裂きにより形成される切開部が、幅を持たない亀裂のみからなることである。すなわち、通常の状態では、切開面同士が吸着し、全く隙間が存在しないように切開部を形成しなければならない。

図１に示されるマイクロ流体デバイス１はＤＮＡ断片をＰＣＲ法により増幅した後で、そのまま電気泳動するためのデバイスとして使用することができる。例えば、ポート５の下面に温度制御手段（図示されていない）を配置し、チューブ１９からＰＣＲ増幅に必要なサンプル及び試薬類をポート５内に注入した後、温度制御手段でＰＣＲ増幅に必要な温度サイクルを実行する。その後、チューブ１９から加圧してマイクロバルブ３を開き、ポート５内の増幅産物を中間溜まり７に送出する。中間溜まり７、微細流路９にはポート１１から予め電気泳動に必要なゲル電解質が充填されている。ポート１１が大気に開放されているため、マイクロバルブ３から中間溜まり７に増幅産物を送出することができる。次いで、上面基板１７から中間溜まり７内に電極を突き刺し、ポート１１から別の電極を挿入し、両電極間に電圧を印加することにより、増幅産物を電気泳動させることができる。電極を挿入する代わりに、対面基板１３の所定箇所（すなわち、中間溜まり７及びポート１１）に電極を予めプリントしておくこともできる。

図４は本発明のマイクロバルブを有する別のマイクロ流体デバイスの実施態様を示す概要平面図である。図４に示されたマイクロ流体デバイス１Ａは、主微細流路９に直交するように複数個のマイクロバルブ３が配設されている。この各マイクロバルブ３にはそれぞれポート５が接続されている。図４に示されたマイクロ流体デバイス１Ａは、微細流路９内で逐次混合及び反応を行わせることにより最終生成物を得るためのマイクロリアクターとして使用することができる。例えば、出発物質をポート２５に注入し、ポート２５から圧力を印加して、これを微細流路９のマイクロバルブ３−１の前に送る。ポート５−１には例えば、試薬Ａが注入されており、ポート５−１から圧力を印加することによりマイクロバルブ３−１を開いて試薬Ａを微細流路９の出発物質と混合し、反応させ、反応生成物Ａを得る。次いで、ポート２５から圧力を印加して、この反応生成物Ａをマイクロバルブ３−２の前に送る。ポート５−２には例えば、試薬Ｂが注入されており、ポート５−２から圧力を印加することによりマイクロバルブ３−２を開いて試薬Ｂを微細流路９の反応生成物Ａと混合し、反応を行わせ反応生成物Ｂを得る。同様な処理を繰り返し、マイクロバルブ３−５のところで目的とする最終生成物Ｅを生成し、ポート１１から取り出す。ポート５−１〜５−５の何れか一つのポートから圧力を印加して、該当するポートに接続されているマイクロバルブ３−１〜３−５が開かれると、この開放バルブから圧力が流路９内に逃げ出してくるが、この逃げ出してきた圧力は流路９内に分散されるばかりか、ポート１１から大気に抜き出されるので、逃げ出した圧力で他のマイクロバルブが開かれることはない。そのため、微細流路９内の流体は他のポート５−１〜５−５には逆流しない。

図５は本発明のマイクロバルブを有する更に別のマイクロ流体デバイスの実施態様を示す概要平面図である。図５に示されたマイクロ流体デバイス１Ｂは、主微細流路９に対して放射状にマイクロバルブ３が配設されている。このマイクロ流体デバイス１Ｂでは、一枚のチップで多種類の反応を実施したり、多数の検体を取り扱うことができ、一検体一チップが原則であった従来のマイクロ流体デバイスに比べて極めて経済的である。図５に示されたマイクロ流体デバイス１Ｂでは、メインの微細流路９の両端にはポート２５及び１１が配設されており、更に、微細流路９の中間に反応ポート２９が配設されている。この反応ポート２９に対して放射状のマイクロバルブ３−１〜３−６が接続されている。各マイクロバルブ３−１〜３−６にはポート５−１〜５−６と流路２７−１〜２７−６がそれぞれ接続されている。しかし、流路２７−１〜２７−６を省いて、ポート５−１〜５−６とマイクロバルブ３−１〜３−６を直接接続することもできる。図５に示されたマイクロ流体デバイス１Ｂの使用方法としては、例えば、ポート２５から標準試薬を注入し、圧力で反応ポート２９にまで送り、次いで、ポート５−１から第１の検体を注入し、加圧してマイクロバルブ３−１を開いて第１の検体を反応ポート２９に送出して標準試薬と反応させる。生成した反応生成物について、この反応ポート２９の上面側又は下面側から、例えば、光学的手段（例えば、蛍光検出装置等）で測定する。測定終了後、反応ポート２９内の反応生成物などはポート２５から圧力によりポート１１に送り、ここから排出する。微細流路９内を洗浄した後、ポート５−２について前記と同じ反応処理を行い、以下、ポート５−６まで同様な操作を行う。これにより、１枚のマイクロ流体デバイスで６個の検体を処理することができる。言うまでもなく、その他の様々な使用方法も実施可能である。

図６は本発明のマイクロバルブの別の使用形態を示す部分概要平面図である。図６に示されるように、本発明のマイクロバルブ３は微細流路９−１と９−２の中間に配設し、流路間の開閉弁又は逆止弁として使用することも可能である。この場合、マイクロバルブ３は微細流路９−１側から微細流路９−２側に流体を流すために使用することもできるし、あるいは、この逆に、微細流路９−２側から微細流路９−１側に流体を流すために使用することもできる。

図１及び図２に示されるような三層構造のマイクロ流体デバイスを作製した。対面基板１３には厚さ１ｍｍの白ガラスを使用し、中間基板１５には厚さ２ｍｍのシリコーンゴム（ＰＤＭＳ）を使用し、上面基板１７には厚さ１ｍｍのシリコーンゴム（ＰＤＭＳ）を使用した。中間基板１５に配設されている微細流路９の流路幅は２００μｍ、深さは１００μｍ、流路長は４０ｍｍであった。微細流路９の形成において、ウエハに厚膜レジストをフォトリソグラフィー法によりパターニング（露光、現像）することで、シリコーンゴムモールド用鋳型として使用した。シリコーンゴムモールド前に、鋳型に離型膜として２０ｎｍのＣＨＦ_３膜を形成させた後、シリコーンゴムをモールドし、脱気した。その後、１００℃で４時間加温することでシリコーンゴムを重合させた。その後、鋳型から引き剥がし、微細流路９を完成させた。液溜まり部７の径はφ２ｍｍ、マイクロバルブ３の長さは１５ｍｍとした。中間基板１５にポート５、７及び１１を予め作製した後、ポート５とポート７との間にカッターで深さ０．５ｍｍ程度の切り込みを入れた。その後、両手でシリコーンゴムを曲げ、切り込み部を完全に亀裂させた。自然亀裂した部分は、破砕なく、鏡面的に仕上げることができた。曲げることで亀裂させた後、曲げ応力を解除すると再び、シリコーンゴムの弾性により元に戻り、一見亀裂していないように見える。最終的に、対面基板１３、中間基板１５及び上面基板１７を相互に恒久接着させ、ポート５に外径φ２ｍｍ、内径１ｍｍのシリコーンゴムチューブ１９を接着させ、接着剤として同じくシリコーンゴムを使用した。赤インク送液実験として、シリンジポンプにより１５ｋＰａ以上の圧力をかけることでマイクロバルブ３が開き、赤インクが液溜まり７及び微細流路９に流れ込むのが確認できた。圧力を０ｋＰａにすると、マイクロバルブ３がシリコーンゴムにより形成されているため自然に閉となり、送液が遮断された。

以上、本発明の好ましい実施態様について説明してきたが、本発明は図示された実施態様のみに限定されない。例えば、本発明のマイクロバルブはマイクロ流体デバイスやマイクロチップだけでなく、様々な分野における微量流体制御機構で使用することもできる。

本発明のマイクロ流体デバイスの一例の概要平面図である。 図１におけるII-II線に沿った概要断面図である。 図１におけるIII-III線に沿った概要断面図である。 本発明のマイクロ流体デバイスの別の例の概要平面図である。 本発明のマイクロ流体デバイスの更に別の例の概要平面図である。 本発明のマイクロバルブの別の配設例を示す部分概要平面図である。 （Ａ）は従来のマイクロ流体デバイスの一例の概要平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った概要断面図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ 本発明のマイクロ流体デバイス
３ マイクロバルブ
５，１１，２５ ポート
７ 中間液溜まり
９ 微細流路
１３ 対面基板
１５ 中間基板
１７ 上面基板
１９，２１ チューブ
２３ マイクロバルブの開口
２７ 流路

Claims (5)

1. 対面基板と、該対面基板の上面に貼り合わされる中間基板と、該中間基板の上面に貼り合わされる上面基板とからなる三層構造を有し、前記中間基板の一部に上面から下面に達する、幅を持たない亀裂のみの切開部からなることを特徴とするマイクロバルブ。
2. 前記中間基板は弾性材料から形成されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロバルブ。
3. 前記中間基板はポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）から形成されていることを特徴とする請求項２記載のマイクロバルブ。
4. 前記中間基板には微細流路及び／又はポートが形成されており、該微細流路及び／又はポート間を接続するために使用される請求項１〜３の何れかに記載のマイクロバルブ。
5. 請求項１〜４の何れかに記載のマイクロバルブを有することを特徴とするマイクロ流体デバイス。

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