JP2006224060A

JP2006224060A - マイクロチップ用の温度制御装置

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Publication number: JP2006224060A
Application number: JP2005044130A
Authority: JP
Inventors: Soichi Takigawa; 宗一瀧川
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2005-02-21
Filing date: 2005-02-21
Publication date: 2006-08-31

Abstract

【課題】マイクロチップの被温度調節部の温度を高精度かつ局所的に制御するマイクロチップ用の温度制御装置を提供する。
【解決手段】温度制御装置１０の温度調節部２０は弾性体２３によりマイクロチップ３０に対し三次元方向に移動可能に支持されつつマイクロチップ３０の面３０ａに押し付けられている。これにより、温度調節部２０の接触面２０１およびマイクロチップ３０の被温度調節部が均一な平面上に形成されない場合、またはマイクロチップ３０に反りが生じる場合でも、温度調節部２０はマイクロチップ３０の形状に追従してマイクロチップ３０の所定の位置に密着する。弾性体２３はペルチェ素子部２１とヒートシンク２２との間に設置されている。弾性体２３は、シリコーン樹脂など熱伝導性を有する材料で形成されている。そのため、ペルチェ素子部２１の排熱は、弾性体２３を通してヒートシンク２２に放熱される。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロチップ用の温度制御装置に関し、特にマイクロチップの微細な流路または所定領域ごとに温度を制御するマイクロチップ用の温度制御装置に関する。

マイクロチップでは、薄い板状のチップ上に微細な流路または槽領域などが形成されている。このマイクロチップ上の流路または槽領域において、試料の分離、合成あるいは観察、または細胞の培養などが行われる。このようなマイクロチップでは、流路または槽領域などの複数の被温度調節部ごとに、異なる温度で高精度かつ局所的に温度を制御する必要がある。

上記のようにマイクロチップの被温度調節部の温度を局所的に制御する技術として、例えば特許文献１、２または非特許文献１に開示されている技術が公知である。特許文献１では、マイクロチップの分析電極ごとに分析電極を加熱する加熱電極を備えている。これにより、マイクロチップの分析電極は個別に温度調節される。また、特許文献２では、熱伝導体で構成される複数のアイランドを個別に温度調節する温度調節器を備えている。これにより、アイランドごとに温度調節が可能となり、アイランドに接するサンプル溶液の温度が制御される。さらに、非特許文献１では、被温度調節部を有するチップの一方の面側に微小のペルチェ素子を有するヒートシンクが設置されている。これにより、チップの被温度調節部はペルチェ素子によって温度調節が行われる。

特開平１１−１２７９００号公報特開平１３−２３５４７４号公報シチズン時計株式会社のウェブサイトＵＲＬ：http://www.citizen.co.jp/med/field/index.html

しかしながら、特許文献１に開示されている発明の場合、分析電極には加熱電極が設置されるのみである。そのため、分析電極を冷却することは困難である。その結果、設定温度が雰囲気温度に近いとき、精密な温度調節は困難である。また、特許文献２に開示されている発明も、特許文献１と同様にアイランドは加熱されるのみである。そのため、アイランドと接するサンプル容器の冷却は困難であり、精密な温度調節は困難である。さらに、特許文献１に開示されている発明の場合、チップと一体に分析電極および加熱電極が設置されている。そのため、チップを分析電極および加熱電極と分離して交換することは困難である。

一方、非特許文献１に開示されている発明の場合、ペルチェ素子を用いることにより、被温度調節部は加熱だけでなく冷却も可能となる。また、チップとペルチェ素子とは分離しているため、チップのみを容易に交換することができる。しかしながら、薄い板状のチップに流路および反応領域を形成する場合、チップには反りが生じやすい。そのため、非特許文献１に開示されている発明の場合、チップの被温度調節部にペルチェ素子が密着せず、高精度かつ局所的な温度調節は困難である。また、チップの反りが微小な場合でも、複数のペルチェ素子の被温度調節部に接する面を同一の平面上に設置することは困難である。また、チップを局所的に温度制御すると、チップには反りが生じる。そのため、すべてのペルチェ素子をチップに均一に密着させることは困難である。したがって、非特許文献１に開示されている発明では、チップの高精度かつ局所的な温度制御は困難になるおそれがある。

そこで、本発明の目的は、マイクロチップの被温度調節部の温度を高精度かつ局所的に制御するマイクロチップ用の温度制御装置を提供することにある。

本発明のマイクロチップ用の温度制御装置によると、複数の被温度調節部を有する薄板状のマイクロチップを一方の面側から加熱または冷却し、前記被温度調節部の温度を制御するマイクロチップ用の温度制御装置であって、熱伝導体から形成され、前記マイクロチップの前記一方の面側から前記被温度調節部にそれぞれ接する温度調節部と、前記温度調節部の前記マイクロチップとは反対側に設置され、通電することにより前記温度調節部を加熱または冷却するペルチェ素子部と、前記ペルチェ素子部の前記温度調節部とは反対側に設置され、前記ペルチェ素子部の加熱または冷却を補助するヒートシンクと、前記温度調節部から前記ヒートシンクまでの間に設置され、少なくとも前記マイクロチップの板厚方向へ弾性変形し、前記マイクロチップに対し前記温度調節部を押し付ける弾性体と、を備えることを特徴とする。弾性体は、少なくともマイクロチップの板厚方向へ弾性変形する。これにより、温度調節部は、チップの形状および変形にかかわらず、弾性体により常にマイクロチップの一方の面側に押し付けられる。そのため、温度調節部はマイクロチップの一方の面側に密着する。温度調節部は、ペルチェ素子部によって加熱または冷却される。したがって、マイクロチップの被温度調節部の温度を高精度かつ局所的に制御することができる。

また、本発明のマイクロチップ用の温度制御装置によると、前記弾性体は、前記ペルチェ素子部と前記ヒートシンクとの間に設置されている。これにより、温度調節部はペルチェ素子部に密着する。そのため、温度調節部は、ペルチェ素子部によって迅速に加熱または冷却される。また、温度調節部は、弾性体の弾性変形によってマイクロチップの被温度調節部に密着する。したがって、マイクロチップの被温度調節部の温度を迅速、高精度かつ局所的に制御することができる。

さらに、本発明のマイクロチップ用の温度制御装置によると、前記弾性体は、前記温度調節部と前記ペルチェ素子部との間に設置されている。これにより、ペルチェ素子部はヒートシンクに密着する。そのため、温度調節部の温度を調節するとき、ペルチェ素子部とヒートシンクとの間で熱の移動が迅速に行われる。一般にヒートシンクを用いることにより、ペルチェ素子の加熱側の面と冷却側の面との間で過度に温度差が形成されることは防止され、ΔＴは小さくなる。その結果、吸熱量ＱＣを大きくすることができ、効率よく温度を調節することができる。また、温度調節部は、弾性体の弾性変形によってマイクロチップの被温度調節部に密着する。したがって、マイクロチップの被温度調節部の温度を迅速、高精度かつ局所的に制御することができる。

さらにまた、本発明のマイクロチップ用の温度制御装置によると、前記弾性体は、熱伝導性を有する柔軟な材料から形成されている。例えばペルチェ素子部とヒートシンクとの間に弾性体が設置されるとき、ペルチェ素子部からの排熱は弾性体を通して速やかにヒートシンクに伝達される。また、例えば温度調節部とペルチェ素子部との間に弾性体が設置されるとき、温度調節部は弾性体を通してペルチェ素子部により加熱または冷却される。弾性体は熱伝導性を有しているため、ペルチェ素子部とヒートシンクとの間または温度調節部とペルチェ素子部との間に弾性体が設置される場合でも、ペルチェ素子部からヒートシンクまたは温度調節部には速やかに熱が伝達される。したがって、弾性体を設置する場合でも、マイクロチップの被温度調節部の温度を迅速、高精度かつ局所的に制御することができる。また、弾性体は、柔軟な材料から形成されている。そのため、弾性体は、マイクロチップの板厚方向だけでなくマイクロチップに対し三次元の方向へ弾性変形し、温度調節部やペルチェ素子部をマイクロチップ方向へ押し付ける。これにより、温度調節部はマイクロチップに密着する。したがって、マイクロチップの被温度調節部の温度を迅速、高精度かつ局所的に制御することができる。

さらにまた、本発明のマイクロチップ用の温度制御装置によると、前記弾性体は、シリコーン樹脂またはアクリル系エラストマーから形成されている。シリコーン樹脂またはアクリル系エラストマーは柔軟性および熱伝導性を有するとともに、安価で安全性が高い。したがって、マイクロチップの被温度調節部の温度を迅速、高精度かつ局所的に制御することができるとともに、コストの上昇を招くことなく安全性を高めることができる。

以下、本発明の複数の実施例を図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
本発明の第１実施例によるマイクロチップ用の温度制御装置を図１に示す。図１は、本発明の第１実施例による温度制御装置を適用したマイクロチップの断面を示す概略図である。

図１に示すように、第１実施例によるマイクロチップ用の温度制御装置１０は上方にマイクロチップ３０が搭載される。温度制御装置１０は、温度調節部２０、ペルチェ素子部２１、ヒートシンク２２、および弾性体２３を備えている。
マイクロチップ３０は、例えばガラス、シリコン、セラミックス、金属、プラスチック、シリコンゴムなどのゴム、あるいはこれらの複合材料によって任意の形状に形成されている。なお、マイクロチップ３０は、単一の部材に限らず、例えば基板とカバーなどの二以上の部材から形成してもよい。マイクロチップ３０は、例えばエッチング加工などにより、管路および槽領域が形成されている。

温度調節部２０は、例えば銅、アルミニウムまたは各種の金属の合金など、熱伝導体により形成されている。温度調節部２０は、金属に限らず例えば熱伝導性を有するセラミックスや樹脂などで形成してもよい。温度調節部２０は、図示しない温度検出部が設置されている。温度検出部は、例えばサーミスタなどを有しており、温度調節部２０の温度を検出する。温度検出部は、検出した温度調節部２０の温度を信号として図示しない制御部に出力する。

ペルチェ素子部２１は、温度調節部２０のマイクロチップ３０とは反対側の面に接している。温度調節部２０とペルチェ素子部２１とは例えば接着剤により接着されている。ペルチェ素子部２１は、通電することにより一方の面が発熱し、他方の面が吸熱するペルチェ素子を有している。ペルチェ素子は、印加される電流の向きによって一方の端面から熱を吸収し、他方の端面に排熱する。これにより、ペルチェ素子に印加する電流の向きおよび大きさを制御することにより、温度調節部２０は加熱または冷却され、温度調節部２０は所定の温度に制御される。温度調節部２０は、図示しない制御部によって制御される。制御部は、図示しない温度検出部で検出された温度に基づいて、ペルチェ素子部２１に供給する電流の向きおよび大きさ、または電流の供給の断続を制御する。

なお、第１実施例では、温度調節部２０とペルチェ素子部２１とは接着剤により接着する例を説明した。接着剤は、例えばエポキシ樹脂などの熱伝導性の高い接着剤、シリコーン変性ポリマーなどの弾性接着剤、反応形アクリルなどの反応形樹脂系接着剤、痾−シアノアクリレートなどの瞬間接着剤、ＳＢＳ、ＣＲ、ＮＢＲなどのゴム系溶剤形接着剤、またはＥＶＡ、オレフィン、合成ゴムなどのホットメルト系接着剤などを適用することができる。また、温度調節部２０とペルチェ素子部２１とは、例えば銀、銅、アルミニウムまたははんだなどの金属のろう材により接着してもよい。

ヒートシンク２２は、例えば銅、アルミニウムまたは各種の金属の合金など、熱伝導体により形成されている。ヒートシンク２２は、ペルチェ素子部２１の温度調節部２０とは反対側に設置されている。ヒートシンク２２は、熱伝導率の大きな熱伝導体で形成することにより、ペルチェ素子部２１からの排熱を放熱する。なお、ヒートシンク２２には、例えばファンなどから送風してもよい。これにより、ヒートシンク２２は放熱が促進される。

弾性体２３は、ペルチェ素子部２１とヒートシンク２２との間に設置されている。弾性体２３は、一方の面がペルチェ素子部２１に接し、他方の面がヒートシンク２２に接している。これにより、弾性体２３は、ペルチェ素子部２１とヒートシンク２２との間に挟み込まれている。

弾性体２３は、熱伝導性を有する柔軟な材料から形成されている。弾性体２３は、シリコーン樹脂製のシート状のゲル、あるいはシリコーンゴムなどのシリコーン樹脂から形成されている。シリコーン樹脂は、熱伝導率が約１．０〜５．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）と大きく、熱抵抗が小さい。また、シリコーン樹脂からなるゲルやシリコーンゴムは、柔軟で弾性変形するとともに、接する他の部材の表面形状への追従性が高い。一方、シリコーン樹脂は、難燃性が高く、生体への影響もなく、かつ導電性が低い。さらに、シリコーン樹脂は安価である。そのため、シリコーン樹脂により弾性体３２を形成することにより、コストの上昇を招くことなく、安全性が高められる。

また、シリコーン樹脂は接着性を有している。そのため、シリコーン樹脂製のゲルまたはゴムなどからなる弾性体２３をペルチェ素子部２１とヒートシンク２２との間に設置したとき、ペルチェ素子部２１とヒートシンク２２とは弾性体２３によって接着される。そのため、ペルチェ素子部２１とヒートシンク２２との間には、接着剤の塗布、あるいは金属のろう付が不要となる。

弾性体２３は熱伝導性を有しているため、ペルチェ素子部２１とヒートシンク２２との間に弾性体２３を設置したとき、ペルチェ素子部２１の排熱は弾性体２３を通してヒートシンク２２に放熱される。また、弾性体２３は柔軟であり弾性変形可能であるため、ペルチェ素子部２１とヒートシンク２２との間に設置したとき、弾性体２３はペルチェ素子部２１とヒートシンク２２の形状にあわせて変形するともに、変形方向とは逆方向へ反発力を生じる。

弾性体２３は、柔軟で弾性変形可能である。そのため、弾性体２３は、一体の温度調節部２０およびペルチェ素子部２１を支持するともに、一体の温度調節部２０およびペルチェ素子部２１をマイクロチップ３０方向へ押し上げている。すなわち、弾性体２３は、温度調節部２０にマイクロチップ３０を搭載したとき、マイクロチップ３０の自重によりヒートシンク２２側へ圧縮される。このとき、弾性体２３は、弾性変形可能であるため、圧縮とは逆方向であるマイクロチップ３０方向へ一体の温度調節部２０およびペルチェ素子部２１を押し上げる。

弾性体２３は、マイクロチップ３０の板厚方向に限らず、マイクロチップ３０の平面方向へ変形可能である。そのため、弾性体２３は、マイクロチップ３０に対し三次元の方向へ変形する。これにより、一体の温度調節部２０およびペルチェ素子部２１は、弾性体２３によりマイクロチップ３０の三次元の方向へ自由な移動が許容されつつ、マイクロチップ３０側へ押し付けられる。

図２に示すように、温度制御装置１０にマイクロチップ３０を搭載しないとき、一体の温度調節部２０およびペルチェ素子部２１は、温度調節部２０のマイクロチップ３０搭載側の接触面２０１が同一平面状に位置しない。これは、温度調節部２０およびペルチェ素子部２１の寸法のばらつき、各温度調節部２０の温度差による寸法の変化、あるいはヒートシンク２２の温度調節部２０側の端面の凹凸などが原因となり、温度調節部２０の図２の上下方向の位置がずれたり、温度調節部２０が傾斜するためである。すなわち、温度調節部２０のマイクロチップ３０搭載側の接触面２０１は、各部品の寸法および傾きの調整が困難なため、同一の平面上に配置することが困難である。

これに対し、弾性体２３を設置することにより、温度制御装置１０にマイクロチップ３０を搭載したとき、温度調節部２０の位置のずれは弾性体２３が弾性変形よって吸収する。その結果、温度調節部２０の接触面２０１は、常にマイクロチップ３０の温度調節部２０側の面３０ａに接する。これにより、各温度調節部２０の接触面２０１が同一平面上に位置していないときだけでなく、マイクロチップ３０に反りが生じたり、マイクロチップ３０が変形しているときでも、温度調節部２０はマイクロチップ３０の一方の面３０ａに密着する。

次に、上記の構成による温度制御装置１０を用いた温度制御の実験例について説明する。ここでは、マイクロチップ３０に形成された被温度調節部である図示しない任意の槽領域における温度変化を測定した。比較例として、上述の温度制御装置１０における弾性体２３に代えて、ペルチェ素子部２１とヒートシンク２２とを接着剤で接着したものを使用した。第１実施例の温度制御装置１０と比較例とでは、弾性体２３を接着剤に変更した他は、同一の形状および同一の構成である。

図３に示すように、第１実施例の温度制御装置１０の場合、時間の経過とともに目標温度まで温度が上昇するとともに、所定の時間が経過すると、目標温度で一定になる。これにより、一体の温度調節部２０およびペルチェ素子部２１を弾性体２３で支持することにより、温度調節部２０はマイクロチップ３０の被温度調節部に密着し、温度が精密に制御されていることが分かる。

これに対し、比較例の場合、時間の経過とともに温度が上昇するものの、目標温度に到達することなく、一定の温度となる。比較例では、ペルチェ素子部２１とヒートシンク２２とを接着剤で接着するため、温度調節部２０はマイクロチップ３０にあわせて位置が変化しない。そのため、温度調節部２０は、マイクロチップ３０の被温度調節部に均一に密着しない。その結果、温度調節部２０の温度とマイクロチップ３０の被温度調節部の温度とが異なり、被温度調節部の加熱が不足する。

第１実施例では、温度制御装置１０の温度調節部２０は弾性体２３によりマイクロチップ３０に対し三次元方向に移動可能に支持されつつマイクロチップ３０の面３０ａに押し付けられている。これにより、温度調節部２０の接触面２０１およびマイクロチップ３０の被温度調節部が均一な平面上に形成されない場合、またはマイクロチップ３０に反りが生じる場合でも、温度調節部２０はマイクロチップ３０の形状に追従してマイクロチップ３０の所定の位置に密着する。したがって、温度制御装置１０はマイクロチップ３０の被温度調節部の温度を個別に高精度に制御することができる。

また、第１実施例では、弾性体２３はペルチェ素子部２１とヒートシンク２２との間に設置されている。弾性体２３は、シリコーン樹脂など熱伝導性を有する材料で形成されている。そのため、ペルチェ素子部２１の排熱は、弾性体２３を通してヒートシンク２２に放熱される。これにより、ペルチェ素子部２１とヒートシンク２２との間に弾性体２３が設置される場合でも、ペルチェ素子部２１からヒートシンク２２には速やかに熱が伝達される。一方、温度調節部２０は、ペルチェ素子部２１と接している。そのため、温度調節部２０は、ペルチェ素子部２１によって迅速に加熱または冷却される。したがって、弾性体２３を設置する場合でも、マイクロチップ３０の被温度調節部の温度を迅速、高精度かつ局所的に制御することができる。

さらに、第１実施例では、マイクロチップ３０を交換する場合でも、温度調節部２０はマイクロチップ３０の被温度調節部に密着する。そのため、マイクロチップ３０の形状に個体差がある場合でも、温度制御装置１０はマイクロチップ３０の被温度調節部の温度を個別に高精度に制御することができる。
さらに、第１実施例では、弾性体２３をシリコーン樹脂で形成することにより、一体の温度調節部２０およびペルチェ素子部２１は弾性体２３の接着力によってヒートシンク２２に固定される。弾性体２３を形成するシリコーン樹脂の接着力は、一体の温度調節部２０およびペルチェ素子部２１をヒートシンク２２に固定するのに十分である一方、ヒートシンク２２から容易に取り外すことができる程度である。そのため、ヒートシンク２２上に設置される一体の温度調節部２０およびペルチェ素子部２１は、弾性体２３でヒートシンク２２に接着することにより、容易に配置を変更することができる。その結果、マイクロチップ３０における槽領域および流路の配置に応じて、温度調節部２０の配置を容易に変更することができる。

（第２実施例）
本発明の第２実施例による温度制御装置を適用したマイクロチップを図４に示す。第１実施例と実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
図４は、本発明の第２実施例による温度制御装置を適用したマイクロチップの断面を示す概略図である。

図４に示すように、第２実施例によるマイクロチップ用の温度制御装置１０は、第１実施例と同様に上方にマイクロチップ３０が搭載される。また、温度制御装置１０は、第１実施例と同様に温度調節部２０、ペルチェ素子部２１、ヒートシンク２２および弾性体２４を備えている。
第２実施例では、弾性体２４は、温度調節部２０とペルチェ素子部２１との間に設置されている。弾性体２４は、一方の面が温度調節部２０に接し、他方の面がペルチェ素子部２１に接している。これにより、弾性体２４は、温度調節部２０とペルチェ素子部２１との間に挟み込まれる。弾性体２４の材質、構成および機能などは、第１実施例と同一であるので説明を省略する。また、ペルチェ素子部２１とヒートシンク２２とは、例えば接着剤またはろう付などにより固定されている。

第２実施例では、温度制御装置１０の温度調節部２０は弾性体２４によりマイクロチップ３０に対し三次元方向へ移動可能に支持されつつマイクロチップ３０の面３０ａに押し付けられている。これにより、温度調節部２０の接触面２０１およびマイクロチップ３０の被温度調節部が均一な平面上に形成されない場合、またはマイクロチップ３０に反りが生じる場合でも、温度調節部２０はマイクロチップ３０の形状に追従してマイクロチップ３０の所定の位置に密着する。したがって、温度制御装置１０はマイクロチップ３０の被温度調節部の温度を個別に高精度に制御することができる。

また、第２実施例では、弾性体２４は温度調節部２０とペルチェ素子部２１との間に設置されている。弾性体２４は、シリコーン樹脂など熱伝導性を有する材料で形成されている。そのため、温度調節部２０は、弾性体２４を通してペルチェ素子部２１により加熱または冷却される。これにより、温度調節部２０とペルチェ素子部２１との間に弾性体２４が設置される場合でも、ペルチェ素子部２１から温度調節部２０には速やかに熱が伝達される。一方、ペルチェ素子部２１は、ヒートシンク２２と接している。そのため、ペルチェ素子部２１の排熱は、直接ヒートシンク２２に放熱される。したがって、ペルチェ素子部２１の排熱が促進されるとともに、弾性体２４を設置する場合でも、マイクロチップ３０の被温度調節部の温度を迅速、高精度かつ局所的に制御することができる。

次に、上述の第１実施例による温度制御装置１０を用いた実験例について説明する。
（第１実験例）
第１実験例に用いるマイクロチップ５０は、図５に示すように基板５１を備えている。なお、基板５１には、図示しないカバーを設置してもよい。基板５１は、図５に示すように槽領域としての反応槽５３および生成槽５４と、管路５５とを備えている。基板５１は、例えばガラス、シリコン、セラミックス、金属、プラスチック、シリコンゴムなどのゴム、あるいはこれらの複合材料によって矩形状に形成されている。基板５１には、例えばエッチング加工などにより、反応槽５３、生成槽５４および管路５５が形成されている。

反応槽５３は、平面視において略矩形の凹状に形成されている。反応槽５３には、注入された試料が蓄えられる。反応槽５３では、蓄えられた試料が反応可能である。生成槽５４は、反応槽５３と同様に平面視において略矩形の凹状に形成されている。生成槽５４は、反応槽５３における反応によって生成した物質が蓄えられる。管路５５は、反応槽５３と生成槽５４とを接続している。管路５５は、反応槽５３における反応によって生成した物質が生成槽５４へ移動する。管路５５から分岐する分岐管路５６の端部には、開口部５７が形成されている。開口部５７からは、管路５５において不要となる気体が外部へ排出される。

マイクロチップ５０の下部には、温度調節部２０が複数設置されている。本実験例の場合、反応槽５３の下部に温度調節部２０ａが設置され、反応槽５３の近傍における管路５５の下部に温度調節部２０ｂが設置され、反応槽５３と生成槽５４との間における管路５５の下部に温度調節部２０ｃが設置され、生成槽５４の近傍における管路５５の下部に温度調節部２０ｄが設置されている。これらマイクロチップ５０において温度調節部２０ａ、温度調節部２０ｂ、温度調節部２０ｃおよび温度調節部２０ｄによって温度調節される部位が被温度調節部である。温度調節部２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは、それぞれ個別にマイクロチップ５０の被温度調節部の温度を調節する。

次に、上記の構成のマイクロチップ５０を適用し、溶解度の差を利用して物質を生成する例を説明する。ここでは、石英ガラスで形成されたマイクロチップ５０を適用して、エステル交換反応を実施する場合について説明する。
反応槽５３には、プロピオン酸メチル（ＣＨ₃ＣＨ₂ＣＯＯＣＨ₃）およびエタノール（ＣＨ₃ＣＨ₂ＯＨ）を注入した。また、反応槽５３には、触媒としてｐ−トルエンスルホン酸を加えた。そして、温度調節部２０ａ、温度調節部２０ｂおよび温度調節部２０ｃに接するペルチェ素子部２１に通電し、それぞれ７０℃まで加熱した。一方、温度調節部２０ｄに接するペルチェ素子部２１に通電し、２０℃に制御した。これにより、プロピオン酸メチルとエタノールとを反応させた。その結果、生成槽５４にはメタノール（ＣＨ₃ＯＨ）が生成するとともに、反応槽５３にはプロピオン酸エチル（ＣＨ₃ＣＨ₂ＣＯＯＣＨ₂ＣＨ₃）が生成した。

また、このマイクロチップ５０を適用し、沸点の差を利用して物質を精製する例について説明する。ここでは、例えばシリコンによって形成されたマイクロチップ５０を適用して、アルコールの分離を実施する場合について説明する。
あらかじめ開口部５７は図示しない栓などにより塞いだ。反応槽５３には、エタノール（ＣＨ₃ＣＨ₂ＯＨ）およびメトキシエタノール（ＣＨ₃ＯＣＨ₂ＣＨ₂ＯＨ）の混合物を注入した。そして、温度調節部２０ａおよび温度調節部２０ｂに接するペルチェ素子部２１に通電し、それぞれ１００℃および８０℃に加熱した。一方、温度調節部２０ｃおよび温度調節部２０ｄに接するペルチェ素子部２１に通電し、いずれも１０℃に制御した。その結果、生成槽５４にはエタノールが分離され、反応槽５３にはメトキシエタノールが分離された。

以上のように、第１実験例では、マイクロチップ５０の反応槽５３、生成槽５４および管路５５を任意に温度制御できることが検証された。また、第１実施例では、マイクロチップ５０を温度制御することにより、化学反応および物質の精製が行えることが検証された。

（第２実験例）
第２実験例では、図６に示すようにマイクロチップ６０は、三つの貯留槽６１、６２、６３と、各貯留槽６１、６２、６３に連通する三本の管路６４、６５、６６とを有している。第２実験例に適用されるマイクロチップ６０は、パラフィンバルブ７１、７２、７３を有している。パラフィンバルブ７１、７２、７３は、各管路６４、６５、６６の途中にそれぞれ設置されている。パラフィンバルブ７１、７２、７３は、例えば融点が５０℃前後のパラフィンで形成されている。そのため、パラフィンバルブ７１、７２、７３の近傍が室温のとき、パラフィンバルブ７１、７２、７３は固形となって管路６４、６５、６６を閉塞している。一方、パラフィンバルブ７１、７２、７３を融点以上に加熱すると、パラフィンバルブ７１、７２、７３は溶解し、管路６４、６５、６６を開放する。管路６４、６５、６６には、それぞれ途中に拡大部６７、６８、６９が形成されている。三つの貯留槽６１、６２、６３には、図６（Ａ）に示すようにそれぞれ任意の試料が蓄えられている。

パラフィンバルブ７１、７２、７３の下方には、温度制御装置１０の温度調節部２０ｅ、２０ｆ、２０ｇがそれぞれ設置されている。温度制御装置１０の温度調節部２０の構成は、温度調節部２０の配置以外は第１実施例と同一である。これにより、温度調節部２０ｅは、マイクロチップ６０においてパラフィンバルブ７１の下方に接し、パラフィンバルブ７１の温度を調節する。同様に、温度調節部２０ｆはパラフィンバルブ７２の温度を調節し、温度調節部２０ｇはパラフィンバルブ７３の温度を調節する。すなわち、パラフィンバルブ７１、７２、７３は被温度調節部となる。

温度調節部２０ｅ、２０ｆ、２０ｇの各ペルチェ素子部２１への通電を停止しているとき、パラフィンバルブ７１、パラフィンバルブ７２およびパラフィンバルブ７３は室温に近似する温度となっている。そのため、図６（Ａ）に示すように、パラフィンバルブ７１は管路６４を閉塞し、パラフィンバルブ７２は管路６５を閉塞し、パラフィンバルブ７３は管路６６を閉塞している。

ここで貯留槽６２に連通する管路６５を開放するとき、パラフィンバルブ７２の温度を調節する温度調節部２０ｆのペルチェ素子部２１に通電し、パラフィンバルブ７２を加熱した。一方、パラフィンバルブ７１の温度を調節する温度調節部２０ｅのペルチェ素子部２１、およびパラフィンバルブ７３の温度を調節する温度調節部２０ｇのペルチェ素子部２１にも逆方向に通電し、パラフィンバルブ７１およびパラフィンバルブ７３を冷却した。マイクロチップ６０のように、微小なチップの場合、管路６４と管路６５および管路６５と管路６６との距離は数ｍｍ程度である。そのため、管路６５のパラフィンバルブ７２を加熱したとき、熱伝導により隣接するパラフィンバルブ７１およびパラフィンバルブ７３も加熱され、パラフィンバルブ７１およびパラフィンバルブ７３は溶融するおそれがある。そこで、第２実験例では、温度調節部２０ｆによりパラフィンバルブ７２が加熱されるとき、隣接するパラフィンバルブ７１およびパラフィンバルブ７３は温度調節部２０ｅまたは温度調節部２０ｇにより融点以下に冷却した。

パラフィンバルブ７２を融点以上に加熱すると、パラフィンバルブ７２は溶融し、図６（Ｂ）に示すように管路６５は開放した。管路６５において溶融したパラフィンは、拡大部６８で捕集した。一方、管路６４のパラフィンバルブ７１および管路６６のパラフィンバルブ７３は冷却されるため、融点以上の温度に達しない。そのため、管路６４および管路６６は閉塞状態を維持した。したがって、管路６５のみが開放され、貯留槽６２に蓄えられた試料は管路６５を通して図示しない所定の部位へ供給された。

以上のように、第２実施例では、各管路６４、６５、６６の各パラフィンバルブ７１、７２、７３にそれぞれ温度制御装置１０の温度調節部２０ｅ、２０ｆ、２０ｇが接している。そのため、各パラフィンバルブ７１、７２、７３は個別に高精度に温度制御された。したがって、マイクロチップ６０のように各管路６４、６５、６６の間隔が小さなときでも、各パラフィンバルブ７１、７２、７３の開閉を精密に制御することができた。

（第３実験例）
第３実験例では、図７に示すようにマイクロチップ８０は、二つの貯留槽８１、８２と、これらの貯留槽８１、８２を連通する一本の管路８３とを有している。第３実験例に適用されるマイクロチップ８０は、遺伝子の複製、いわゆるＰＣＲサイクルに適用される。貯留槽８１には、複製前の遺伝子を含む試料が蓄えられる。貯留槽８２には、複製後の遺伝子を含む試料が蓄えられる。

マイクロチップ８０は、貯留槽８１と貯留槽８２との間に温度調節領域９１、温度調節領域９２および温度調節領域９３を有している。温度調節領域９１、９２、９３には、それぞれ温度制御装置１０の温度調節部２０ｈ、２０ｉ、２０ｊが接している。温度調節領域９１における管路８３は、温度調節部２０ｈにより９４℃で一定に制御される。同様に、温度調節領域９２における管路８３は温度調節部２０ｉにより７３℃で一定に制御され、温度調節領域９３における管路８３は温度調節部２０ｊにより５３℃で一定に制御される。

貯留槽８１および貯留槽８２には、それぞれ温度制御装置１０の温度調節部２０ｋ、２０ｌが接している。貯留槽８１は、温度調節部２０ｋによりあらかじめ設定された所定の温度（本実施例では２５℃）に制御される。同様に、貯留槽８２は、温度調節部２０ｌにより４℃で一定に制御される。

被温度調節部である管路８３は、マイクロチップ８０の温度調節領域９１と温度調節領域９３との間を繰り返し往復しながら、貯留槽８１と貯留槽８２とを連通している。これにより、貯留槽８１から貯留槽８２へ管路８３を流れる試料は、温度調節領域９１、９２、９３において、２５℃−９４℃−５３℃−７３℃−９４℃−５３℃−７３℃−９４℃−５３℃−７３℃−４℃のＰＣＲサイクルが実行される。これにより、貯留槽８１に蓄えられる試料に含まれる遺伝子は、管路８３を経由して貯留槽８１から貯留槽８２へ流れる間にＰＣＲサイクルによって複製される。

実験例３において管路８３を流れる試料の温度を測定したところ、図８に示すような温度変化が得られた。これにより、試料は、管路８３を流れる間に所定の温度変化を繰り返すことが明らかになった。したがって、実験例３では、温度制御装置１０を用いたマイクロチップ８０によってＰＣＲサイクルを実行できることが検証された。

本発明の第１実施例による温度制御装置を適用したマイクロチップの断面を示す概略図である。本発明の第１実施例による温度制御装置の側面視を示す概略図である。マイクロチップの槽領域における経時的な時間変化を示す概略図である。本発明の第２実施例による温度制御装置を適用したマイクロチップの断面を示す概略図である。本発明の温度制御装置を適用した第１実験例に用いたマイクロチップの平面視を示す概略図である。本発明の温度制御装置を適用した第２実験例に用いたマイクロチップの平面視を示す概略図である。本発明の温度制御装置を適用した第３実験例に用いたマイクロチップの平面視を示す概略図である。本発明の温度制御装置を適用した第３実験例において、流路を流れる試料の温度変化を示す概略図である。

符号の説明

１０温度制御装置、２０、２０ａ〜２０ｌ温度調節部、２１ペルチェ素子部、２２ヒートシンク、２３、２４弾性体、３０、５０、６０、８０マイクロチップ、３０ａ面、５３反応槽（被温度調節部）、５４生成槽（被温度調節部）、５５、８１、８２貯留槽（被温度調節部）、８３管路（被温度調節部）、７１、７２、７３パラフィンバルブ（被温度調節部）

Claims

複数の被温度調節部を有する薄板状のマイクロチップを一方の面側から加熱または冷却し、前記被温度調節部の温度を制御するマイクロチップ用の温度制御装置であって、
熱伝導体から形成され、前記マイクロチップの前記一方の面側から前記被温度調節部にそれぞれ接する温度調節部と、
前記温度調節部の前記マイクロチップとは反対側に設置され、通電することにより前記温度調節部を加熱または冷却するペルチェ素子部と、
前記ペルチェ素子部の前記温度調節部とは反対側に設置され、前記ペルチェ素子部の加熱または冷却を補助するヒートシンクと、
前記温度調節部から前記ヒートシンクまでの間に設置され、少なくとも前記マイクロチップの板厚方向へ弾性変形し、前記マイクロチップに対し前記温度調節部を押し付ける弾性体と、
を備えることを特徴とするマイクロチップ用の温度制御装置。
前記弾性体は、前記ペルチェ素子部と前記ヒートシンクとの間に設置されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロチップ用の温度制御装置。
前記弾性体は、前記温度調節部と前記ペルチェ素子部との間に設置されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロチップ用の温度制御装置。
前記弾性体は、熱伝導性を有する柔軟な材料から形成されていることを特徴とする請求項１、２または３記載のマイクロチップ用の温度制御装置。
前記弾性体は、シリコーン樹脂から形成されていることを特徴とする請求項４記載のマイクロチップ用の温度制御装置。