JP2006046605A - Fluid control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流体の流れを制御するためのバルブを備えた流体制御装置に関し、特にチップ上で化学分析や化学合成を行う小型化分析システム(μ−TAS:Micro Total Analysis System)において、流体の流れを制御するためのバルブを用いた流体制御装置に関する。 The present invention relates to a fluid control device having a valve for controlling the flow of fluid, and particularly in a miniaturized analysis system (μ-TAS: Micro Total Analysis System) that performs chemical analysis or chemical synthesis on a chip. The present invention relates to a fluid control apparatus using a valve for controlling a flow.
近年、立体微細加工技術の発展に伴い、ガラスやシリコン等の基板上に、微小な流路とポンプ、バルブ等の流体素子およびセンサを集積化し、その基板上で化学分析を行うシステムが注目されている。これらのシステムは、小型化分析システム、μ−TAS(Micro Total Analysis System)あるいはLab on a Chipと呼ばれている。基板上に微小流路や流体制御素子を形成した基板をμTASチップと呼ぶ。化学分析システムを小型化することにより、無効体積の減少や試料の分量の大幅な低減が可能となる。また、分析時間の短縮やシステム全体の低消費電力化が可能となる。さらに、小型化によりシステムの低価格を期待することができる。μ−TASは、システムの小型化、低価格化および分析時間の大幅な短縮が可能なことから、在宅医療やベッドサイドモニタ等の医療分野、DNA解析やプロテオーム解析等のバイオ分野での応用が期待されている。 In recent years, with the development of three-dimensional microfabrication technology, attention has been focused on a system that integrates minute flow channels, fluid elements such as pumps and valves, and sensors on a substrate such as glass or silicon, and performs chemical analysis on the substrate. ing. These systems are called miniaturized analysis systems, μ-TAS (Micro Total Analysis System) or Lab on a Chip. A substrate on which a microchannel and a fluid control element are formed on a substrate is called a μTAS chip. By reducing the size of the chemical analysis system, it is possible to reduce the ineffective volume and greatly reduce the amount of the sample. In addition, the analysis time can be shortened and the power consumption of the entire system can be reduced. Furthermore, the low price of the system can be expected by downsizing. Since μ-TAS can reduce the size and cost of the system and significantly reduce the analysis time, it can be applied in the medical field such as home medical care and bedside monitor, and in the bio field such as DNA analysis and proteome analysis. Expected.
上記したμ−TASにおいて、微小流路内の流体の流れを制御するために、様々な形態のバルブがこれまでに提案されている。マイクロマシーニング技術を用いてシリコン基板上に形成されたマイクロバルブが報告されている(非特許文献1参照)。該マイクロバルブは、シリコンのダイヤフラムを圧電アクチュエータで駆動することにより、流体の流れを制御することが可能である。 In the above-described μ-TAS, various types of valves have been proposed so far in order to control the flow of fluid in the microchannel. A microvalve formed on a silicon substrate using a micromachining technique has been reported (see Non-Patent Document 1). The microvalve can control the flow of fluid by driving a silicon diaphragm with a piezoelectric actuator.
また、図9に示すように、一方向(図9では右から左への方向)のみに流体が通過可能なようにバイパスライン901の形成された微小流路902中に、高分子よりなる可動部材903を形成し、流体の流れにより該可動部材903が移動することを利用して、一方向の流れのみが通過可能なCheck Valve(逆止弁)を構成した例が報告されている(非特許文献2参照)。このように、アクチュエータを備えずに、流体そのものにより動作するバルブは、受動バルブ(Passive valve)と呼ばれている。受動バルブは、アクチュエータが不要なので、比較的単純な構造で流体を制御でき信頼性、耐久性が高い。さらに、作製コストが低い等の利点がある。
しかしながら、従来技術で述べたマイクロバルブを用いて流体制御装置を構成した場合、以下に示す問題点があった。
図9を用いて、従来技術の問題点を説明する。図9(b)に示すようにバルブがいったん閉状態となると、図中右側から流体を流すか、図中左側の圧力を開放しないと、バルブは初期状態(図9(a))に戻らない。このため外部のポンプを駆動したり、パージ用のラインを設ける必要が生じる。また、図9に示した受動バルブを複数配置して流体システムを構成した場合、所望のバルブのみを個別に初期状態に戻すことが困難な場合がある。これにより、所望の流体制御を実現するための流体システムを構成できない場合がある。
However, when the fluid control device is configured using the microvalve described in the prior art, there are the following problems.
The problem of the prior art will be described with reference to FIG. Once the valve is closed as shown in FIG. 9 (b), the valve does not return to the initial state (FIG. 9 (a)) unless fluid is flowed from the right side in the figure or the pressure on the left side in the figure is released. . For this reason, it is necessary to drive an external pump or to provide a purge line. Further, when a fluid system is configured by arranging a plurality of passive valves shown in FIG. 9, it may be difficult to individually return only desired valves to the initial state. Thereby, a fluid system for realizing desired fluid control may not be configured.
本発明の課題は、外部ポンプを操作したり、パージラインを設けることなく、バルブを初期状態に戻すことが可能であり、信頼性、耐久性が高い流体制御装置を提供することである。
さらに、本発明の課題は、個々のバルブを独立して初期状態に戻すことが可能な流体制御システムを提供することである。
An object of the present invention is to provide a fluid control device that can return a valve to an initial state without operating an external pump or providing a purge line, and has high reliability and durability.
Furthermore, the subject of this invention is providing the fluid control system which can return each valve | bulb independently to the initial state.
上記課題を解決するための本発明は、流体の流れを制御するためのバルブを備えた流体制御装置であって、第一の流路と、第二の流路と、前記第一の流路と前記第二の流路の間に位置し、前記第二の流路から前記第一の流路へ流体が流れたときに、前記第一の流路を塞いで閉状態にして流れを遮断する可動部材を有するバルブと、前記第一の流路に前記バルブを閉状態から開状態にするための手段を備えることを特徴とする流体制御装置である。 The present invention for solving the above-mentioned problems is a fluid control device including a valve for controlling the flow of fluid, and includes a first flow path, a second flow path, and the first flow path. When the fluid flows from the second flow path to the first flow path, the first flow path is closed and closed to shut off the flow. A fluid control apparatus comprising: a valve having a movable member that is configured; and means for bringing the valve from a closed state to an open state in the first flow path.
また、本発明の流体制御システムは、流体制御装置を複数備えたことが好ましい。
本発明における流体とは、気体もしくは液体である。
In addition, the fluid control system of the present invention preferably includes a plurality of fluid control devices.
The fluid in the present invention is a gas or a liquid.
本発明により、外部ポンプを操作したり、パージラインを設けることなく、バルブを初期状態に戻すことが可能な流体制御装置を提供することができる。
さらに本発明により、複数のバルブを備え、個々のバルブを独立して初期状態に戻すことが可能な流体制御システムを提供することができる。
According to the present invention, it is possible to provide a fluid control device capable of returning a valve to an initial state without operating an external pump or providing a purge line.
Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a fluid control system including a plurality of valves and capable of independently returning individual valves to the initial state.
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図1は本発明の流体制御装置の構成の一例を概略図で示したものである。本発明の流体制御装置は、第一の流路101、第二の流路102、バルブ部103および第一の流路101内に形成された発熱体素子104よりなる。バルブ部103は、可動部材105およびバイパスライン106を備えることにより、第一の流路101から第二の流路102へ向かう流れは通過させ、第二の流路102から第一の流路101へ向かう流れは遮断する一方向バルブとして機能する。発熱体素子103は電極(不図示)に電気的に接続されており、該電極を介して外部のパルス電源に接続されている。これにより、発熱体素子103にパルス電圧を印加できるようになっている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
FIG. 1 is a schematic view showing an example of the configuration of a fluid control apparatus according to the present invention. The fluid control device of the present invention includes a first flow path 101, a second flow path 102, a valve portion 103, and a heating element 104 formed in the first flow path 101. The valve unit 103 includes a
図2を用いて、図1の流体制御装置のバルブ機能について説明する。
第一の流路101から第二の流路102へ流体が流れる場合、可動部材105は流れにより(流れにより発生した圧力差により)図の左方向に移動する。このとき流れは、バイパスライン106を流れることによりバルブ部103を通過することが可能である(図2(a))。
The valve function of the fluid control device of FIG. 1 will be described with reference to FIG.
When a fluid flows from the first flow path 101 to the second flow path 102, the
一方、第二の流路102から第一の流路101へ流体が流れる場合、可動部材105は図の右方向に移動する。このとき、可動部材105が流路101の入り口を塞ぐため、流れは遮断される(図2(b))。
On the other hand, when a fluid flows from the second channel 102 to the first channel 101, the
バルブ部103の開閉には、しきい値特性を付与させることが可能である。すなわち、第二の流路から第一の流路へ流体が流れた場合に、ある特定のしきい値流量以下の流量では、可動部材105は移動せず、流体は通過することが可能となる。しきい値以上の流量では、可動部材105が移動し、第一の流路の入り口を塞ぐことにより、流れを遮断する。このしきい値は、可動部材105の移動するバルブ部103の流路壁面と可動部材の摩擦係数を変えることにより制御することができる。また、バイパスライン106と第二の流路の形状、断面積の比、バルブ部の断面積等の流路デザインおよび可動部材の質量、サイズ、形状等の設計事項により、所望の値に設定することが可能である。
A threshold characteristic can be given to the opening and closing of the valve unit 103. That is, when the fluid flows from the second flow path to the first flow path, the
次に、本発明の重要な側面となるバルブを閉状態(図2(b))から開状態(図2(a))に戻す方法を図3を用いて説明する。
図3(a)の閉状態で、発熱体素子302にパルス電圧を印加し、膜沸騰が生じる温度まで急速に加熱する。これにより、発熱体素子の表面には、気泡301が発生する(図3(b))。
Next, a method of returning the valve, which is an important aspect of the present invention, from the closed state (FIG. 2B) to the open state (FIG. 2A) will be described with reference to FIG.
In the closed state of FIG. 3 (a), a pulse voltage is applied to the heating element 302 and rapidly heated to a temperature at which film boiling occurs. Thereby, bubbles 301 are generated on the surface of the heating element (FIG. 3B).
発熱体素子302の表面に発生した気泡は、急速に膨張する。この気泡が膨張する力により、可動部材303は図における左方向に移動する(図3(c)〜(d))。
次に、気泡301は収縮に転ずる(図3(e))。気泡が収縮するときに、気泡の収縮力により、可動部材303が若干右方向に移動する場合がある。しかしながら、初期状態の図3(a)と比較して可動部材303が左に移動したことにより、バイパスライン304が開放され流路断面が広くなるので、可動部材303の気泡収縮時における変位は、気泡膨張時における変位と比較して小さくなる。このためバルブ部305は、開状態に復帰することができる(図3(f))。
Bubbles generated on the surface of the heating element 302 expand rapidly. Due to the expansion force of the bubbles, the movable member 303 moves to the left in the figure (FIGS. 3C to 3D).
Next, the bubble 301 turns into contraction (FIG. 3E). When the bubbles contract, the movable member 303 may move slightly to the right due to the contraction force of the bubbles. However, as the movable member 303 moves to the left as compared with FIG. 3A in the initial state, the bypass line 304 is opened and the flow path cross section becomes wider. It becomes smaller than the displacement at the time of bubble expansion. For this reason, the valve part 305 can return to an open state (FIG.3 (f)).
第一の流路内の流体にエネルギーを付与して、バルブを開状態に復帰させる手段としては、例えば、静電アクチュエータ、圧電アクチュエータ等のマイクロマシン技術を用いたアクチュエータを用いることも可能である。特に、本実施形態で説明したように、薄膜型の発熱体素子を用いて気泡を発生させる方式を用いることにより、流路内にメンブレン等の複雑な手段を形成することなく、エネルギーを付与することが可能である。 As means for applying energy to the fluid in the first flow path and returning the valve to the open state, for example, an actuator using micromachine technology such as an electrostatic actuator or a piezoelectric actuator can be used. In particular, as described in this embodiment, energy is applied without forming a complicated means such as a membrane in the flow path by using a method of generating bubbles by using a thin film heating element. It is possible.
また前記手段は、バルブ部103に粒子等が詰まり可動部材303が可動できなくなった場合の回復手段として用いることができる。例えば、粒子等が詰まった状態で、前記発熱体素子を用いて気泡を発生させることにより、粒子を除去し、バルブ機能を回復することができる。 The means can be used as a recovery means when the valve member 103 is clogged with particles or the like and the movable member 303 cannot be moved. For example, by generating bubbles using the heating element element in a state where particles or the like are clogged, the particles can be removed and the valve function can be recovered.
図4に発熱体素子103の具体的な構成の例を示す。発熱体素子401は、第一の流路402の壁面に形成されている。発熱体素子401は、薄膜抵抗体403の上面を保護層404で、下面を蓄熱層405挟んだ構成となっている。薄膜抵抗体401の両端は、保護層402に形成したコンタクトホール406を介して配線407に電気的に接続されている。配線407はパルス電圧を発生する外部電源に接続されている。配線407を介して薄膜抵抗体403にパルス電圧を印加することにより、発熱体沿い401の表面に気泡を発生させることができる。
FIG. 4 shows an example of a specific configuration of the heating element 103. The heating element 401 is formed on the wall surface of the
発熱体素子401の厚さは、薄膜抵抗体、保護層、蓄熱層の厚さや材質にもよるが、一般的に数μm程度である。したがって、μTASチップで一般的な流路の幅である数10μmから数100μmの幅の流路に形成される場合、発熱体素子は流体の流れに対する立体障害にはなりにくい。 The thickness of the heating element 401 is generally about several μm although it depends on the thickness and material of the thin film resistor, protective layer, and heat storage layer. Therefore, when the μTAS chip is formed in a flow path having a width of several tens of μm to several hundreds of μm, which is a general width of the flow path, the heating element is less likely to be a steric hindrance to the fluid flow.
薄膜抵抗体403の材質としては、金属材料もしくは導電性を持たせたシリコン等の半導体が挙げられる。
保護層404の役割は、薄膜抵抗体の表面を化学反応から保護することである。したがって保護層404の材質としては、薬品耐性が高いものが好ましい。例えば、SiO2 やSi3 N4 等の絶縁材料、Ta等の金属材料が挙げられる。また、保護層404には、気泡が収縮して消滅するときに発生する衝撃(キャビテーション衝撃)から、薄膜抵抗体403を保護する役割もある。
Examples of the material of the thin film resistor 403 include a metal material or a semiconductor such as silicon having conductivity.
The role of the protective layer 404 is to protect the surface of the thin film resistor from chemical reaction. Therefore, the material of the protective layer 404 is preferably a material with high chemical resistance. For example, an insulating material such as SiO 2 or Si 3 N 4 and a metal material such as Ta can be used. The protective layer 404 also has a role of protecting the thin film resistor 403 from an impact (cavitation impact) that occurs when the bubbles shrink and disappear.
蓄熱層405の役割は、薄膜抵抗体403で発生した熱が基板側に散逸するのを防ぐことである。蓄熱層405を形成することにより、薄膜抵抗体403で発生した熱エネルギーを効率良く気泡の発生に用いることができる。蓄熱層405の材質としては、例えば、SiO2 やSi3 N4 等の絶縁体材料が挙げられる。 The role of the heat storage layer 405 is to prevent the heat generated in the thin film resistor 403 from being dissipated to the substrate side. By forming the heat storage layer 405, the heat energy generated in the thin film resistor 403 can be efficiently used for generating bubbles. Examples of the material of the heat storage layer 405 include insulator materials such as SiO 2 and Si 3 N 4 .
本発明の流体制御装置を構成するための材質としては、搬送する流体に対して耐性があれば特に制限はない。例えば、ステンレス、アルミニウム等の金属材料、ガラス材料、シリコン等の半導体材料、シリコーン樹脂、アクリル系の樹脂材料等が挙げられる。また、液体の搬送に電気浸透流を用いる場合は、電気浸透流を発生させる材料を選択することが可能である。 The material for constituting the fluid control device of the present invention is not particularly limited as long as it has resistance to the fluid to be conveyed. For example, metal materials such as stainless steel and aluminum, glass materials, semiconductor materials such as silicon, silicone resins, acrylic resin materials, and the like can be given. Moreover, when using an electroosmotic flow for the conveyance of a liquid, it is possible to select the material which generates an electroosmotic flow.
可動部材105の材質としては、搬送する流体に対して耐性があれば特に制限はない。例えば、ステンレス、アルミニウム等の金属材料、ガラス材料、シリコン等の半導体材料、シリコーン樹脂、アクリル系の樹脂材料、アルミナ、ジルコニア等のセラミック材料等が挙げられる。
The material of the
可動部105の形状に関しては、第一の流路101を塞ぐことが可能でかつバルブ部103内に保持することが可能な形状であれば良い。流れに関する対称性の観点から球形状が特に好ましい。また、また、高分子等の変形可能な材料で可動部材105を形成し、流路101を塞ぐときに流路形状に従って変形させることにより、シール性を向上させることも可能である。
The shape of the
図5は本発明の流体制御装置の構成の別の例を概略図で示したものである。本発明の流体制御装置は、第一の流路501、第二の流路502、バルブ部503および第一の流路501内に形成された発熱体素子504よりなる。バルブ部503は、平板505および板バネ506およびバルブシート部507よりなる。流体の流れがない状態においては、平板505は板バネ506により、バルブシート部507に間隙508を保って弾性支持されている。発熱体素子504は電極(不図示)に電気的に接続されており、該電極を介して外部のパルス電源に接続されている。これにより、発熱体素子503にパルス電圧を印加できるようになっている。
FIG. 5 is a schematic view showing another example of the configuration of the fluid control device of the present invention. The fluid control device of the present invention includes a first flow path 501, a second flow path 502, a valve portion 503, and a heating element 504 formed in the first flow path 501. The valve portion 503 includes a flat plate 505, a leaf spring 506, and a valve seat portion 507. In a state where there is no fluid flow, the flat plate 505 is elastically supported by the valve seat 507 with a
発熱体素子503の構成は、図4に示した構成と同様の構成である。
発熱体素子503を配置する位置は、第一の流路501側であり、気泡の発生力がバルブ部に及ぶ位置であれば特に制限はない。図5においては、第一の流路501の底面に配置してあるが、例えば第一の流路501の側面に配置しても良い。
The configuration of the heating element 503 is the same as the configuration shown in FIG.
The position where the heating element 503 is arranged is on the first flow path 501 side, and there is no particular limitation as long as the bubble generation force reaches the valve portion. In FIG. 5, it is arranged on the bottom surface of the first channel 501, but may be arranged on the side surface of the first channel 501, for example.
以下、バルブ部503の開閉動作について説明する。
第二の流路502から第一の流路501に流体が流れる場合、間隙508を流れるときに圧力低下が発生する。この圧力低下により、平板505の第一の流路501側(下流側)の圧力は、第二の流路502側(上流側)の圧力と比較して低くなる。この圧力差により平板505は、バルブシート部507へ向けて移動する。平板505は、上記圧力差により発生する駆動力と板バネ506により復元力がつりあう位置で静止する。平板505の前後に発生する圧力差は、流体の流量が多いほど大きくなる。バルブが閉状態となるためには、しきい値となる流量が存在する。流量がしきい値流量より大きい場合、平板505はバルブシート部507に接触し、第一の流路501の入り口を塞ぎ、バルブは閉状態(図5(b))となる。すなわちバルブ部503は、ある特定のしきい値以下の流量の場合のみ、流体が通過可能なバルブとして機能する。上で述べたしきい値流量は、間隙508の距離、平板505の形状、第一の流路501の断面形状、第二の流路502の断面形状、板バネ505の形状、本数、厚さ等の設計パラメータを変更することにより、変更可能である。
Hereinafter, the opening / closing operation of the valve unit 503 will be described.
When fluid flows from the second flow path 502 to the first flow path 501, a pressure drop occurs when flowing through the
一方、第一の流路501から第二の流路502へ流体が流れる場合は、バルブ部503の構造から明らかなように、常に流れは通過することが可能である。そのため、第二の流路502から第一の流路501への流れの流量が、上で述べたしきい値流量より大きい場合は、バルブ部503は一方向バルブ、逆止バルブとしての機能を有する。 On the other hand, when the fluid flows from the first flow path 501 to the second flow path 502, the flow can always pass as is apparent from the structure of the valve portion 503. Therefore, when the flow rate of the flow from the second flow path 502 to the first flow path 501 is larger than the threshold flow rate described above, the valve unit 503 functions as a one-way valve and a check valve. Have.
次に、本発明の重要な側面となるバルブ部503を閉状態(図5(b))から開状態(図5(a))に戻す方法を、図6を用いて説明する。
図6(a)の閉状態で、発熱体素子601にパルス電圧を印加し、膜沸騰が生じる温度まで急速に加熱する。これにより、発熱体素子601の表面には、気泡602が発生する(図6(b))。
Next, a method for returning the valve portion 503, which is an important aspect of the present invention, from the closed state (FIG. 5B) to the open state (FIG. 5A) will be described with reference to FIG.
In the closed state of FIG. 6A, a pulse voltage is applied to the heating element 601 to rapidly heat to a temperature at which film boiling occurs. Thereby, bubbles 602 are generated on the surface of the heating element 601 (FIG. 6B).
発熱体素子601の表面に発生した気泡602は、急速に膨張する。この気泡が膨張する力により、平板603は図における上方向に移動する(図6(c))。
次に、気泡602は収縮に転ずる(図6(d))。このときに、気泡の収縮力および流体が第二の流路605から第一の流路604へ移動するときに発生する駆動力により、平板603が下方向に移動する場合がある。上記した駆動力に板バネ606の復元力が打ち勝てば、バルブ部607は、開状態に戻る(図6(d))。板バネ606の復元力が、上記した駆動力より弱い場合は、バルブ部607は再び閉状態(図6(a))となる。この場合でも、発熱体素子の駆動前と比較すると、第一の流路604側と第二の流路605側の圧力差は、流体が移動したことにより小さくなっている。したがって、図6(a)〜図6(d)の工程を何度か繰り返すことにより、上記した流体の移動による駆動力は徐々に小さくなり、バルブ部607は、図6(e)の開状態に戻ることが可能である。
Bubbles 602 generated on the surface of the heating element 601 expand rapidly. The flat plate 603 moves upward in the figure by the force by which the bubbles expand (FIG. 6C).
Next, the bubble 602 turns into contraction (FIG. 6D). At this time, the flat plate 603 may move downward due to the contraction force of the bubbles and the driving force generated when the fluid moves from the second channel 605 to the first channel 604. When the restoring force of the leaf spring 606 overcomes the driving force described above, the
板バネ506および平板505の材質としては、分析する溶液に対して耐性があり、かつ弾性変形に対してある程度の耐性を持つ材料であれば特に制限はない。例えばシリコンが望ましい。シリコーン樹脂、アクリル樹脂等の樹脂材料を用いることも可能である。必要に応じて、表面をコーティングしても良い。 The material of the leaf spring 506 and the flat plate 505 is not particularly limited as long as the material is resistant to the solution to be analyzed and has some resistance to elastic deformation. For example, silicon is desirable. It is also possible to use resin materials such as silicone resin and acrylic resin. If necessary, the surface may be coated.
第一の流路501を第二の流路502を形成する材質に関しては、分析する溶液に対して耐性がある材料であれば特に制限がない。例えば、ガラス、シリコン、シリコーン樹脂、アクリル樹脂等が挙げられる。また液体の搬送に電気浸透流を用いる場合は、電気浸透流を発生させる材料を選択することが可能である。 The material forming the first channel 501 and the second channel 502 is not particularly limited as long as it is a material resistant to the solution to be analyzed. For example, glass, silicon, silicone resin, acrylic resin, and the like can be given. In addition, when an electroosmotic flow is used for transporting a liquid, a material that generates the electroosmotic flow can be selected.
平板505の形状は、第一の流路501の入り口を遮蔽することが可能な形状であれば特に制限はない。特に円形状が、流れの対称性の観点から好ましい。特に断面形状が円形の流路に対し、流路と中心を同一とする円形状の平板を配置することによりバルブ部503を構成することが好ましい。これにより、バルブ部503における流体の流れおよび圧力分布が中心軸に対して対称となり、遮蔽部の変位を安定させることが可能となる。さらに板バネを、平板505とバルブ部503の中心軸に対して対称に配置することが好ましい。 The shape of the flat plate 505 is not particularly limited as long as it is a shape that can shield the entrance of the first flow path 501. A circular shape is particularly preferable from the viewpoint of flow symmetry. In particular, it is preferable to configure the valve portion 503 by arranging a circular flat plate having the same center as that of the flow path with respect to the flow path having a circular cross-sectional shape. As a result, the fluid flow and pressure distribution in the valve portion 503 are symmetric with respect to the central axis, and the displacement of the shielding portion can be stabilized. Further, it is preferable to arrange the leaf springs symmetrically with respect to the central axes of the flat plate 505 and the valve portion 503.
本発明の流体制御装置を複数組み合わせることによってシステム化し、流体を制御することが可能である。該システムとしては、例えば、一定量の液体試料を流路より切り取って次工程へ導入するシステムが挙げられる。 By combining a plurality of fluid control devices of the present invention, it is possible to systemize and control the fluid. Examples of the system include a system that cuts out a predetermined amount of a liquid sample from a flow path and introduces it into the next process.
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明する。
なお、実施例中における、寸法、形状、送液手段、送液条件等は一例であり、本発明の要件を満たす範囲内であれば、設計事項として任意に変更することが可能である。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
Note that the dimensions, shape, liquid feeding means, liquid feeding conditions, and the like in the examples are merely examples, and can be arbitrarily changed as design matters as long as they satisfy the requirements of the present invention.
実施例1
本実施例では、本発明の流体制御装置を用いて、微小流路システムにおいて一定量の液体試料を切り取って次工程へ導入するシステムを構成した。図7A、Bは、本発明の流体制御装置を用いて微小流路システムを構成した実施例を示す概念図である。
Example 1
In this example, a system was constructed in which a fluid sample of the present invention was used to cut out a fixed amount of liquid sample and introduce it to the next step in the microchannel system. 7A and 7B are conceptual diagrams showing an embodiment in which a microchannel system is configured using the fluid control device of the present invention.
図7(a)は、本実施例の微小流路システムの概略図である。該システムは、第一の流体制御装置701、第二の流体制御装置702、流路703、流体ポンプ704、分析用素子705より構成される。上で述べたそれぞれの構成要素701〜705は、図7(a)に示したような位置関係で接続される。 FIG. 7A is a schematic diagram of the microchannel system of the present embodiment. The system includes a first fluid control device 701, a second fluid control device 702, a flow path 703, a fluid pump 704, and an analysis element 705. The respective components 701 to 705 described above are connected in a positional relationship as shown in FIG.
以下、図7(a)の微小流路システムを用いて、一定量の液体試料を分析用素子へ導入する方法について説明する。
まず、ポンプ704を用いて、キャリア用液体706を、第一の流体制御装置701、第二の流体制御装置702、流路703、分析用素子705に満たす(図7(b))。このとき、第一の流体制御装置701および第二の流体制御装置702におけるキャリア液体706の流量が、両流体制御装置のしきい値流量より小さくなるような送液条件で送液する。この場合は、可動部材707および可動部材708は移動しないので、キャリア液体706は図のように流れることが可能である。
Hereinafter, a method of introducing a fixed amount of liquid sample into the analysis element using the microchannel system of FIG.
First, using the pump 704, the carrier liquid 706 is filled into the first fluid control device 701, the second fluid control device 702, the flow path 703, and the analysis element 705 (FIG. 7B). At this time, the first fluid control device 701 and the second fluid control device 702 are fed under a fluid feeding condition such that the flow rate of the carrier liquid 706 is smaller than the threshold flow rate of both fluid control devices. In this case, since the movable member 707 and the movable member 708 do not move, the carrier liquid 706 can flow as shown in the figure.
次に、第一の流体制御装置701の上流側にある送液手段(不図示)を用いて、分析する液体試料709を、第一の流体制御装置から第二の流体制御装置に向かう方向に流す(図7(c))。このとき、第一の流体制御装置内の流れは、常に通過可能な方向である。第二の流体制御装置内の流れの流量は、しきい値流量未満となるように送液条件を設定する。また、分析用素子705、ポンプ704への方向の流抵抗は、第二の流体制御装置702への方向と比較して大きくなるように流路を設計する。図7(c)に示したように、流路703においては、切り出し部分710にのみ液体試料709が導入される。 Next, the liquid sample 709 to be analyzed is moved in the direction from the first fluid control device to the second fluid control device by using a liquid feeding means (not shown) on the upstream side of the first fluid control device 701. Flow (FIG. 7C). At this time, the flow in the first fluid control device is always in a passable direction. The liquid feeding condition is set so that the flow rate of the flow in the second fluid control device is less than the threshold flow rate. Further, the flow path is designed so that the flow resistance in the direction toward the analysis element 705 and the pump 704 is larger than the direction toward the second fluid control device 702. As shown in FIG. 7C, in the channel 703, the liquid sample 709 is introduced only into the cutout portion 710.
次に、ポンプ704を動作させ、第一流体制御装置701、第二の流体制御装置702における流量がしきい値流量以上となる送液条件で、キャリア液体を送液する。このとき、可動部707および可動部708が移動することにより、第一流体制御装置701および第二の流体制御装置702内のバルブ部は閉状態となる。これにより、切り出し部710にあった液体試料711は切り出され、分析用素子705へ導入される(図7(d))。 Next, the pump 704 is operated, and the carrier liquid is supplied under a liquid supply condition in which the flow rates in the first fluid control device 701 and the second fluid control device 702 are equal to or higher than the threshold flow rate. At this time, the movable portion 707 and the movable portion 708 move, so that the valve portions in the first fluid control device 701 and the second fluid control device 702 are closed. As a result, the liquid sample 711 in the cutout unit 710 is cut out and introduced into the analysis element 705 (FIG. 7D).
分析終了後、第一の流体制御装置の発熱体素子712および第二の流体制御装置の発熱体素子713を駆動することにより、可動部707および708を移動させ、第一流体制御装置701および第二の流体制御装置702内のバルブ部を開状態とする。この状態で、ポンプ704を駆動し、キャリア用液体を、流体制御装置のしきい値流量以下の流量で送液することにより、第一の流体制御装置701、第二の流体制御装置702、流路703、分析用素子705に満たす(図7(e))。 After the analysis is completed, by driving the heating element 712 of the first fluid control device and the heating element 713 of the second fluid control device, the movable parts 707 and 708 are moved, and the first fluid control device 701 and the first fluid control device 701 are moved. The valve part in the second fluid control device 702 is opened. In this state, the pump 704 is driven and the carrier liquid is fed at a flow rate equal to or lower than the threshold flow rate of the fluid control device, whereby the first fluid control device 701, the second fluid control device 702, The path 703 and the analysis element 705 are filled (FIG. 7E).
以上の操作により、微小流路システムは、図7(b)に示した初期状態に復帰する。以下、同様の工程を繰り返すことにより、異なる液体試料を分析することが可能である。
なお、図7(e)において、第一の流体制御装置701と第二の流体制御装置702のしきい値流量が異なる場合は、第一の流体制御装置701、第二の流体制御装置702を同時に開状態として、キャリア用液体を満たすのが困難な場合がある。あるいは、困難ではないが効率的でない場合がある。そのような場合は、分析終了後、以下の操作を行う。
With the above operation, the microchannel system returns to the initial state shown in FIG. Thereafter, different liquid samples can be analyzed by repeating the same steps.
In FIG. 7E, when the threshold flow rates of the first fluid control device 701 and the second fluid control device 702 are different, the first fluid control device 701 and the second fluid control device 702 are changed. At the same time, it may be difficult to fill the carrier liquid in the open state. Alternatively, it may not be difficult but efficient. In such a case, the following operations are performed after the analysis is completed.
まず、第一の流体制御装置の発熱体素子712のみを駆動することにより、可動部707を移動させ、第一の流体制御装置701内のバルブ部を開状態とする。この状態で、ポンプ704を駆動し、キャリア用液体を、第一の流体制御装置701のしきい値流量以下の流量で送液することにより、第一の流体制御装置701、流路703、分析用素子705に満たす。このとき、第二の流体制御素子702内のバルブ部は閉状態なので、第二の流体制御素子702内には、液体試料711が残存している。 First, by driving only the heating element 712 of the first fluid control device, the movable portion 707 is moved, and the valve portion in the first fluid control device 701 is opened. In this state, the pump 704 is driven, and the liquid for carrier is fed at a flow rate equal to or lower than the threshold flow rate of the first fluid control device 701, whereby the first fluid control device 701, the flow path 703, and the analysis. The element 705 is filled. At this time, since the valve portion in the second fluid control element 702 is closed, the liquid sample 711 remains in the second fluid control element 702.
次に、ポンプ704を動作させ、第一流体制御装置701における流量がしきい値流量以上となる送液条件で、キャリア液体を短時間送液することにより、第一流体制御装置701内のバルブ部を閉状態とする。 Next, the valve in the first fluid control device 701 is operated by operating the pump 704 and supplying the carrier liquid for a short time under a liquid supply condition in which the flow rate in the first fluid control device 701 is equal to or higher than the threshold flow rate. The part is closed.
次に、第二の流体制御装置の発熱体素子713のみを駆動することにより、可動部708を移動させ、第二の流体制御装置702内のバルブ部を開状態とする。この状態で、ポンプ704を駆動し、キャリア用液体を、第二の流体制御装置702のしきい値流量以下の流量で送液することにより、第二の流体制御装置702に満たす。 Next, by driving only the heating element 713 of the second fluid control device, the movable portion 708 is moved, and the valve portion in the second fluid control device 702 is opened. In this state, the pump 704 is driven, and the carrier fluid is supplied at a flow rate equal to or lower than the threshold flow rate of the second fluid control device 702, thereby filling the second fluid control device 702.
すなわち、本発明の流体システムでは、複数の流体制御装置を個別に駆動することが可能なため、従来技術の流体制御装置では困難であった、流体の制御が可能になる。
本流体システムでは、分析用素子705に導入される液体試料の体積は、切り出し部710の体積により規定されるので、常に一定量の液体試料を分析用素子に導入できる。これにより再現性のある分析を実施することが可能となる。
That is, in the fluid system of the present invention, since a plurality of fluid control devices can be individually driven, it is possible to control the fluid, which was difficult with the conventional fluid control device.
In this fluid system, since the volume of the liquid sample introduced into the analysis element 705 is defined by the volume of the cutout portion 710, a constant amount of liquid sample can always be introduced into the analysis element. This makes it possible to perform a reproducible analysis.
本実施例では、本発明の流体制御装置を用いて流体システムを構成する。これにより、分析後の流路のパージ作業が短時間で簡便に実施可能になる。これにより分析作業全体に要する時間を短縮することが可能となり、分析効率を向上させることができる。 In this embodiment, a fluid system is configured using the fluid control device of the present invention. Thereby, the purge operation of the flow path after the analysis can be easily performed in a short time. As a result, the time required for the entire analysis work can be shortened, and the analysis efficiency can be improved.
図7に示した流路システムを用いて、HPLC(High Performance Liquid Chromatography)分析を実施する例を説明する。
キャリア液706としては、100mMリン酸緩衝液(pH=7.0)とメタノールを75:25に混合した溶液を用いる。液体試料709としては、安息香酸、サリチル酸、フェノールを100mMリン酸緩衝液(pH=7.0)に溶解させた混合水溶液を用いる。分析用素子705としては、HPLC用のODS(オクタデシル化シルカ)カラムを用いる。
An example in which HPLC (High Performance Liquid Chromatography) analysis is performed using the flow channel system shown in FIG. 7 will be described.
As the carrier solution 706, a solution obtained by mixing 100 mM phosphate buffer (pH = 7.0) and methanol at 75:25 is used. As the liquid sample 709, a mixed aqueous solution in which benzoic acid, salicylic acid, and phenol are dissolved in a 100 mM phosphate buffer (pH = 7.0) is used. As the analytical element 705, an ODS (octadecylated silica) column for HPLC is used.
上で説明した工程を用いて、液体試料709をHPLCカラムに導入し、各成分に分離する。分離された各成分を、波長280mmの紫外光吸収検出器で検出することにより、安息香酸、サリチル酸、フェノールの溶離時間の差に基づいた3本の明瞭な信号ピークを得ることができる。 Using the process described above, a liquid sample 709 is introduced into an HPLC column and separated into components. By detecting each separated component with an ultraviolet light absorption detector having a wavelength of 280 mm, three distinct signal peaks based on the difference in elution time of benzoic acid, salicylic acid, and phenol can be obtained.
実施例2
本実施例では、本発明の流体制御装置を用いて、図8A、Bに示した微小流路システムを構成する。本微小流路システムは、分析装置に分析する試料を導入するときのバイパス用ラインに用いられる。分析装置に試料を導入する場合、前処理した試料を分析装置に導入する際に、初期の試料は夾雑物等が混入している可能性がある。本微小流路システムを用いることにより、初期の試料をバイパスラインに流すことにより除去し、夾雑物等を除いた試料のみを分析することが可能となる。
Example 2
In this embodiment, the microchannel system shown in FIGS. 8A and 8B is configured using the fluid control device of the present invention. This microchannel system is used for a bypass line when a sample to be analyzed is introduced into an analyzer. When a sample is introduced into the analyzer, there is a possibility that impurities and the like are mixed in the initial sample when the pretreated sample is introduced into the analyzer. By using this microchannel system, it is possible to remove the initial sample by flowing it through the bypass line and analyze only the sample excluding impurities.
本微小流路システムは、図8(a)に示したように、第一の流路801、第二の流路802、第三の流路803、第四の流路804、ポンプ805、流体制御装置806、分析用素子807より構成される。第一の流路の一端には、ポンプ805が接続されている。第一の流路801のポンプ805が接続された端と逆の一端は、第二の流路802、第四の流路804に分岐している。第二の流路802、第三の流路803の間に、液体搬送装置806が配置されている。第四の流路804には、分析用素子807が接続されている。流体制御装置806のバルブ部が開状態においては、第二の流路802側の流路抵抗は、第四の流路804側の流路抵抗と比較して、低くなるように流路が設計されている。 As shown in FIG. 8A, the microchannel system includes a first channel 801, a second channel 802, a third channel 803, a fourth channel 804, a pump 805, a fluid A control device 806 and an analysis element 807 are included. A pump 805 is connected to one end of the first flow path. One end of the first channel 801 opposite to the end to which the pump 805 is connected is branched into a second channel 802 and a fourth channel 804. A liquid transfer device 806 is disposed between the second flow path 802 and the third flow path 803. An analysis element 807 is connected to the fourth flow path 804. When the valve unit of the fluid control device 806 is in the open state, the flow path resistance on the second flow path 802 side is designed to be lower than the flow path resistance on the fourth flow path 804 side. Has been.
以下、図8(a)の微小流路システムを用いて、分析用素子の試料を導入する方法について説明する。
まず、ポンプ805を用いて、流路801〜804、流体制御装置806、分析用素子807をキャリア液809で満たす(図8(a))。
Hereinafter, a method for introducing a sample of an analytical element using the microchannel system of FIG.
First, using the pump 805, the flow paths 801 to 804, the fluid control device 806, and the analysis element 807 are filled with the carrier liquid 809 (FIG. 8A).
次に、分析する液体試料808を、ポンプ805を用いて、第一の流路801へ導入する。送液条件は、流体制御装置806のバルブ部が閉状態とならない送液条件、すなわち流体制御装置806における流量がしきい値流量以下となる送液条件を用いる。このとき、第二の流路802側の流路抵抗は、第四の流路804側(分析用素子807側)の流路抵抗と比較して低いので、液体試料は第二の流路側802に側に流れ、分析用素子807には導入されない(図8(b))。第二の流路802、流体制御装置806、第三の流路803はバイパスラインの役割を果たす。 Next, a liquid sample 808 to be analyzed is introduced into the first flow path 801 using a pump 805. As the liquid feeding condition, a liquid feeding condition in which the valve unit of the fluid control device 806 is not closed, that is, a liquid feeding condition in which the flow rate in the fluid control device 806 is equal to or lower than the threshold flow rate is used. At this time, since the channel resistance on the second channel 802 side is lower than the channel resistance on the fourth channel 804 side (analysis element 807 side), the liquid sample is on the second channel side 802. And is not introduced into the analysis element 807 (FIG. 8B). The second flow path 802, the fluid control device 806, and the third flow path 803 serve as a bypass line.
一定時間、第二の流路802側に液体試料を搬送し、初期の夾雑物等を含んだ試料を除去した後、送液条件を、流体制御装置806における流量がしきい値流量以上となる送液条件に切り替える。これにより、流体制御装置806のバルブ部は閉状態となる。液体試料808は、第二の流路802側に流れなくなり、分析用素子807に導入されて分析される(図8(c))。 After a liquid sample is transported to the second flow path 802 side for a certain period of time and the sample including the initial impurities is removed, the flow rate in the fluid control device 806 is equal to or higher than the threshold flow rate. Switch to liquid delivery conditions. Thereby, the valve | bulb part of the fluid control apparatus 806 will be in a closed state. The liquid sample 808 stops flowing to the second channel 802 side, is introduced into the analysis element 807, and is analyzed (FIG. 8C).
分析終了後、流体制御装置806のバルブ部が閉状態のまま、キャリア液809を送液する。これにより、第四の流路804及び分析用素子807内は、キャリア液809で置換される(図8(d))。 After the analysis is completed, the carrier liquid 809 is fed while the valve unit of the fluid control device 806 is closed. As a result, the fourth channel 804 and the analysis element 807 are replaced with the carrier liquid 809 (FIG. 8D).
次に、流体制御装置806の発熱体素子810を駆動することにより、バルブを開状態にする。一度の駆動で開状態に戻らない場合は、複数回駆動を行い、開状態に戻す。この状態で、流体制御装置806のバルブ部が閉状態とならない送液条件で、キャリア液809を送液する。これにより、第一の流路801、流体制御装置806、第三の流路803はキャリア液で置換される(図8(e))。 Next, the heating element 810 of the fluid control device 806 is driven to open the valve. If the drive does not return to the open state once, the drive is performed a plurality of times to return to the open state. In this state, the carrier liquid 809 is fed under a liquid feeding condition in which the valve unit of the fluid control device 806 is not closed. Thereby, the first flow path 801, the fluid control device 806, and the third flow path 803 are replaced with the carrier liquid (FIG. 8E).
以上の操作で、微小流路システムは、図8(a)の初期状態に戻る。以下、必要に応じて上記工程を繰り返すことにより、異なる液体試料を分析することが可能になる。
本実施例では、本発明の流体制御装置を用いて流体システムを構成する。これにより、分析後の流路のパージ作業が短時間で簡便に実施可能になる。これにより分析作業全体に要する時間を短縮することが可能となり、分析効率を向上させることができる。
With the above operation, the microchannel system returns to the initial state of FIG. Hereinafter, different liquid samples can be analyzed by repeating the above-described steps as necessary.
In this embodiment, a fluid system is configured using the fluid control device of the present invention. Thereby, the purge operation of the flow path after the analysis can be easily performed in a short time. As a result, the time required for the entire analysis work can be shortened, and the analysis efficiency can be improved.
本発明の流体制御装置は、外部ポンプを操作したり、パージラインを設けることなく、バルブを初期状態に戻すことが可能であり、チップ上で化学分析や化学合成を行う小型化分析システムにおいて、流体の流れを制御するためのバルブ等に利用することができる。 The fluid control device of the present invention can return the valve to the initial state without operating an external pump or providing a purge line. In a miniaturized analysis system that performs chemical analysis or chemical synthesis on a chip, It can be used for a valve or the like for controlling the flow of fluid.
101 第一の流路
102 第二の流路
103 バルブ部
104 発熱体素子
301 気泡
302 発熱体素子
303 可動部材
304 バイパスライン
305 バルブ部
401 発熱体素子
402 第一の流路
403 薄膜抵抗体
404 保護層
405 蓄熱層
406 コンタクトホール
407 配線
501 第一の流路
502 第二の流路
503 バルブ部
504 発熱体素子
505 平板
506 板バネ
507 バルブシート部
508 間隙
601 発熱体素子
602 気泡
603 平板
604 第一の流路
605 第二の流路
606 板バネ
607 バルブ部
701 第一の流体制御装置
702 第二の流体制御装置
703 流路
704 ポンプ
705 分析用素子
706 キャリア液
707、708 可動部材
709 液体試料
710 切り出し部
711 液体試料
712,713 発熱体素子
801 第一の流路
802 第二の流路
803 第三の流路
804 第四の流路
805 ポンプ
806 流体制御装置
807 分析用素子
808 液体試料
809 キャリア液
810 発熱体素子
901 バイパスライン
902 微小流路
903 可動部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 1st flow path 102 2nd flow path 103 Valve part 104 Heat generating body element 301 Bubble 302 Heat generating element 303 Movable member 304 Bypass line 305 Valve part 401
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