JP2006234467A - マイクロチップ用の温度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 取り扱いが容易であり、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１は、マイクロチップ４０の被温度調節部を第一温度調節ユニット１０および第二温度調節ユニット２０により上方および下方から挟み込んでいる。そのため、マイクロチップ４０の被温度調節部では、板厚方向において温度勾配が低減する。また、第一温度調節ユニット１０および第二温度調節ユニット２０はそれぞれコイルばね１４またはコイルばね２４で支持されている。これにより、第一温度調節ユニット１０の温度調節部１１および第二温度調節ユニット２０の温度調節部２１は、マイクロチップ４０の被温度調節部に密着する。
【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、２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。非特許文献２では、チップの両面側にペルチェ素子を設置している。これにより、チップの被温度調節部における迅速な温度調節を図っている。

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 Xiaomian Zhou, et. al. Electrophoresis, 2004, 25, 3032-3039

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。

これら、特許文献１、２および非特許文献１は、いずれも温度調節部がチップの一方の面側に設置されている。そのため、チップの被温度調節部には、温度勾配が生じる。特に、被温度調節部を比較的高温に制御する場合、チップとチップ外部の雰囲気との間で熱の収受が発生する。そのため、被温度調節部の迅速な加熱は困難である。非特許文献２に開示されている発明の場合、チップは両側から温度調節部に挟まれている。しかし、チップを加熱または冷却するペルチェ素子とチップとの間には熱を伝達するためのオイルが介在している。そのため、装置の維持が煩雑であるとともに、チップの局所的な温度調節は困難である。

そこで、本発明の目的は、取り扱いが容易であり、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、単数または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、前記マイクロチップの一方の面側から前記被温度調節部に接し、前記被温度調節部を加熱または冷却する第一温度調節ユニットと、前記マイクロチップの他方の面側から前記被温度調節部に接し、前記マイクロチップを挟んで前記第一温度調節ユニットとは反対側から前記被温度調節部を加熱または冷却する第二温度調節ユニットと、を備えることを特徴とする。これにより、マイクロチップの被温度調節部は第一温度調節ユニットおよび第二温度調節ユニットにより両側から加熱または冷却される。そのため、マイクロチップの被温度調節部における温度勾配は低減し、被温度調節部は迅速かつ精密に温度が制御される。また、第一温度調節ユニットおよび第二温度調節ユニットは、直接マイクロチップの被温度調節部に接する。そのため、被温度調節部は第一温度調節ユニットおよび第二温度調節ユニットによって局所的に温度が制御されるとともに、第一温度調節ユニットおよび第二温度調節ユニットとマイクロチップとの間には例えばオイルなどが介在しない。したがって、取り扱いを容易にすることができるとともに、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、前記第一温度調節ユニットを少なくとも前記マイクロチップの板厚方向へ移動可能に支持するとともに前記マイクロチップへ押し付ける第一弾性体を備える。これにより、第一温度調節ユニットが例えば製造時の寸法のばらつき、および使用時の温度差によって生じる寸法差や変形、あるいはマイクロチップの反りなどがあるときでも、第一弾性体はその位置のずれを吸収する。また、第一弾性体は、第一温度調節ユニットの位置のずれを吸収するとともに、第一温度調節ユニットをマイクロチップ側へ押し付ける。そのため、第一温度調節ユニットは、マイクロチップの被温度調節部に密着する。したがって、被温度調節部の温度を高精度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、前記第二温度調節ユニットを少なくとも前記マイクロチップの板厚方向へ移動可能に支持するとともに前記マイクロチップへ押し付ける第二弾性体を備える。これにより、第二温度調節ユニットが例えば製造時の寸法のばらつき、および使用時の温度差によって生じる寸法差や変形、あるいはマイクロチップの反りなどがあるときでも、第二弾性体はその位置のずれを吸収する。また、第二弾性体は、第二温度調節ユニットの位置のずれを吸収するとともに、第二温度調節ユニットをマイクロチップ側へ押し付ける。そのため、第二温度調節ユニットは、マイクロチップの被温度調節部に密着する。したがって、被温度調節部の温度を高精度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、前記第一温度調節ユニットおよび前記第二温度調節ユニットは、それぞれ熱伝導体から形成され前記被温度調節部に接する温度調節部、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、および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を有している。これにより、第一温度調節ユニットと第二温度調節ユニットは独立して温度制御される。そのため、マイクロチップの被温度調節部は、内部に生じる温度勾配に応じて第一温度調節ユニットおよび第二温度調節ユニットによって温度が制御される。したがって、被温度調節部の温度を高精度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、前記マイクロチップは複数の前記被温度調節部を有し、前記第一温度調節ユニットおよび前記第二温度調節ユニットは複数の前記被温度調節部にそれぞれ独立して複数設置されている。これにより、マイクロチップに設置されている複数の被温度調節部は、第一温度調節ユニットおよび第二温度調節ユニットにより個別に独立して局所的に温度が制御される。したがって、被温度調節部の温度を局所的に高精度に制御することができる。

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１を適用したマイクロチップ４０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４０用の温度制御装置１は、第一温度調節ユニット１０および第二温度調節ユニット２０を備えている。第一温度調節ユニット１０と第二温度調節ユニット２０とは、マイクロチップ４０を挟んで対向して設置されている。第一温度調節ユニット１０はマイクロチップ４０の下方に設置され、第二温度調節ユニット２０はマイクロチップ４０の上方に設置されている。なお、マイクロチップ４０は、第１実施例のように上下に限らず、例えば左右から挟み込む構成など、両面から挟み込むのであればいずれの方向から挟み込んでもよい。

第一温度調節ユニット１０は、温度調節部１１、ペルチェ素子部１２およびヒートシンク１３を備えている。同様に、第二温度調節ユニット２０は、温度調節部２１、ペルチェ素子部２２およびヒートシンク２３を備えている。温度調節部１１、２１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１１、２１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１１、２１は、それぞれ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１１、２１の温度を検出する。温度検出部は、検出した温度調節部１１、２１の温度を信号として図示しない制御部に出力する。温度調節部１１、２１は、ペルチェ素子部１２、２２の熱をマイクロチップ４０へ伝達する。

ペルチェ素子部１２は、温度調節部１１のマイクロチップ４０とは反対側に接している。同様に、ペルチェ素子部２２は、温度調節部２１のマイクロチップ４０とは反対側に接している。温度調節部１１、２１とペルチェ素子部１２、２２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１２、２２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１１、２１は加熱または冷却され、温度調節部１１、２１は所定の温度に制御される。温度調節部１１、２１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１２、２２に供給する電流の向きおよび大きさ、または電流の断続を制御する。

ヒートシンク１３はペルチェ素子部１２の温度調節部１１とは反対側に設置されている。同様に、ヒートシンク２３は、ペルチェ素子部２２の温度調節部２１とは反対側に設置されている。ペルチェ素子部１２、２２とヒートシンク１３、２３とは、例えば接着剤により接着されている。ヒートシンク１３、２３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１３、２３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１２、２２からの排熱を放熱する。なお、ヒートシンク１３、２３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１３、２３は放熱が促進される。

なお、第１実施例では、温度調節部１１、２１とペルチェ素子部１２、２２、およびペルチェ素子部１２、２２とヒートシンク１３、２３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、α−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１１、２１とペルチェ素子部１２、２２、およびペルチェ素子部１２、２２とヒートシンク１３、２３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。

第一弾性体としてのコイルばね１４は、一体に組み付けられている温度調節部１１、ペルチェ素子部１２およびヒートシンク１３からなる第一温度調節ユニット１０を支持している。コイルばね１４は、一方の端部が支持本体１５に固定され、他方の端部がヒートシンク１３に固定されている。コイルばね１４は、ヒートシンク１３の周方向において少なくとも二個所以上で一体の温度調節部１１、ペルチェ素子部１２およびヒートシンク１３を支持している。

第二弾性体としてのコイルばね２４は、一体に組み付けられている温度調節部２１、ペルチェ素子部２２およびヒートシンク２３からなる第二温度調節ユニット２０を支持している。コイルばね２４は、一方の端部が支持本体２５に固定され、他方の端部がヒートシンク２３に固定されている。コイルばね２４は、ヒートシンク２３の周方向において少なくとも二個所以上で一体の温度調節部２１、ペルチェ素子部２２およびヒートシンク２３を支持している。

コイルばね１４、２４は、第一温度調節ユニット１０または第二温度調節ユニット２０を支持するとともに、これらをマイクロチップ４０方向へ押し付けている。これにより、第一温度調節ユニット１０の温度調節部１１は、マイクロチップ４０の一方の面４０ａに押し付けられる。また、第二温度調節ユニット２０の温度調節部２１は、マイクロチップ４０の他方の面４０ｂに押し付けられる。なお、第１実施例では、弾性体としてコイルばね１４、２４を適用する例について説明している。しかし、弾性体は、コイルばね１４、２４に限らず、例えば板ばねなどのその他のばね、ゴムなどの弾性体、あるいは気体もしくは液体のダンパなどを適用してもよい。また、弾性体は、例えばシリコーンゲルやシリコーンゴムなどからなるシート状の部材であってもよい。シート状の弾性体を用いる場合、弾性体は一体の第一温度調節ユニット１０または第二温度調節ユニット２０のマイクロチップ４０とは反対側に設置することができる。また、シート状の弾性体は、第一温度調節ユニット１０の温度調節部１１からヒートシンク１３までの間、または第二温度調節ユニット２０の温度調節部２１からヒートシンク２３までの間に設置してもよい。

コイルばね１４はヒートシンク１３の周方向において少なくとも二個所以上で一体の第一温度調節ユニット１０を支持し、コイルばね２４はヒートシンク２３の周方向において少なくとも二個所以上で一体の第二温度調節ユニット２０を支持している。これにより、第一温度調節ユニット１０および第二温度調節ユニット２０は、マイクロチップ４０に対し三次元の方向への移動が許容される。すなわち、一体の第一温度調節ユニット１０および第二温度調節ユニット２０は、コイルばね１４またはコイルばね２４により、マイクロチップ４０の板厚方向に限らず、マイクロチップ４０の平面方向への自由な移動および傾斜が許容されつつ、マイクロチップ４０側へ押し付けられる。

次に、上記の構成による温度制御装置１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４０に形成された被温度調節部である図示しない槽領域における温度変化を測定した。
まず、マイクロチップ４０を両面から挟み込んで被温度調節部の温度を制御する第１実施例の温度変化を検証した。比較のため、マイクロチップ４０の一方の面４０ａからのみマイクロチップ４０の被温度調節部の温度を制御する温度制御装置を比較例１とした。すなわち、比較例１では、第１実施例における第二温度調節ユニット２０が設置されていない。これにより、比較例１では、マイクロチップ４０は第一温度調節ユニット１０のみによって温度が制御される。

図２は、経過時間とマイクロチップ４０の任意の被温度調節部における温度との関係を示す概略図である。図２に示すように、マイクロチップ４０の被温度調節部の温度は、５０℃と７０℃との間を繰り返し上昇および降下するように設定されている。このとき、温度制御装置１は、第一温度調節ユニット１０の温度調節部１１および第二温度調節ユニット２０の温度調節部２１の温度を調節することにより、マイクロチップ４０の被温度調節部の温度を制御している。

第１実施例の場合、温度制御装置１によって制御されたマイクロチップ４０の被温度調節部の温度は、図２に示すように設定されている目標温度の上限である７０℃と目標温度の下限である５０℃との間で温度の上昇および降下を繰り返す。また、第１実施例の温度制御装置１は、目標温度の上限である７０℃または目標温度の下限である５０℃に到達すると、一定時間所定の温度を維持している。これにより、マイクロチップ４０の被温度調節部は、第一温度調節ユニット１０および第二温度調節ユニット２０で両側から挟み込むことにより、迅速かつ精密に温度制御されていることが分かる。
これに対し、比較例１の場合、マイクロチップ４０の被温度調節部は、目標温度の上限である７０℃に到達しない。また、比較例１の場合、マイクロチップ４０の被温度調節部は、目標温度の下限である５０℃よりも低くなる。

図３（Ａ）に示すように、第一温度調節ユニット１０の温度調節部１１とペルチェ素子部１２とが接する位置を０とし、この位置から温度調節部１１とマイクロチップ４０とが接する位置までの距離をｔ１とし、外部雰囲気に接しているマイクロチップ４０の温度調節部１１とは反対側までの距離をｔ２とする。このとき、図３（Ｂ）に示すようにマイクロチップ４０の被温度調節部では、ペルチェ素子部１２に近い側ほど温度が高くなり、ペルチェ素子部１２から遠い側ほど温度が低くなる。

特に、マイクロチップ４０の第一温度調節ユニット１０と反対側の面４０ｂは、外部雰囲気に接している。そのため、マイクロチップ４０の被温度調節部では、板厚方向に温度勾配が生じる。その結果、第一温度調節ユニット１０の温度調節部１１の温度が目標温度に到達しても、被温度調節部から外部雰囲気へ熱が放出され、被温度調節部は目標温度に到達しない。また、外部雰囲気に接しているマイクロチップ４０の第一温度調節ユニット１０と反対側の面４０ｂでは、外部雰囲気との温度差が大きくなるほど、外部へ放出される熱が増大する。そのため、外部雰囲気が室温である場合、目標温度との差は、下限である５０℃のときよりも上限である７０℃のときの方が拡大する。すなわち、比較例１では、被温度調節部の目標温度が室温に比較して高くなるほど、温度の精密な制御が困難になる。

次に、第一温度調節ユニット１０および第二温度調節ユニット２０を弾性体であるコイルばね１４またはコイルばね２４で支持する第１実施例の温度変化を検証した。ここでは、実験例１は、第一温度調節ユニット１０および第二温度調節ユニット２０を支持する弾性体を省略した比較例２と比較した。

図４は、経過時間とマイクロチップ４０の任意の被温度調節部における温度との関係を示す概略図である。図４に示すように、被温度調節部の温度は、５５℃と９４℃との間を繰り返し上昇および降下するように設定されている。このとき、温度制御装置１は、第一温度調節ユニット１０および第二温度調節ユニット２０の温度調節部１１または温度調節部２１の温度を調節することにより、被温度調節部の温度を制御している。

第１実施例の温度制御装置１によって制御されたマイクロチップ４０の被温度調節部の温度は、設定されている目標温度の上限である９４℃と目標温度の下限である５５℃との間で温度の上昇および降下を繰り返している。これにより、第一温度調節ユニット１０および第二温度調節ユニット２０をコイルばね１４またはコイルばね２４で支持することにより、温度調節部１１および温度調節部２１はマイクロチップ４０の被温度調節部に密着し、被温度調節部は迅速かつ精密に温度制御されていることが分かる。

これに対し、比較例２の場合、マイクロチップ４０の被温度調節部は、目標温度の上限である９４℃に到達しない。また、比較例１の場合、マイクロチップ４０の被温度調節部は、目標温度の下限である５５℃よりも低くなる。比較例２では、第一温度調節ユニット１０および第二温度調節ユニット２０を支持する弾性体が設置されていない。そのため、第一温度調節ユニット１０の温度調節部１１および第二温度調節ユニット２０の温度調節部２１は、マイクロチップ４０の被温度調節部に密着しない。その結果、温度調節部１１および温度調節部２１の温度が目標温度に到達しても、温度調節部１１および温度調節部２１から被温度調節部へ熱が伝わらず、被温度調節部は目標温度に到達しない。

第１実施例では、温度制御装置１はマイクロチップ４０の被温度調節部を第一温度調節ユニット１０および第二温度調節ユニット２０により上方および下方から挟み込んでいる。そのため、マイクロチップ４０の被温度調節部では、板厚方向において温度勾配が低減する。したがって、温度制御装置１は、マイクロチップ４０の被温度調節部の温度を局所的に高精度に制御することができる。

また、第１実施例では、第一温度調節ユニット１０および第二温度調節ユニット２０はそれぞれコイルばね１４またはコイルばね２４で支持されている。これにより、第一温度調節ユニット１０の温度調節部１１および第二温度調節ユニット２０の温度調節部２１は、マイクロチップ４０の被温度調節部に密着する。したがって、温度制御装置１は、マイクロチップ４０の被温度調節部の温度を局所的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、第一温度調節ユニット１０および第二温度調節ユニット２０は直接マイクロチップ４０の被温度調節部に密着する。そのため、第一温度調節ユニット１０または第二温度調節ユニット２０との間にオイルなどは介在しない。したがって、取り扱いを容易にすることができる。

（変形例）
本発明の第１実施例による温度制御装置の変形例を図５または図６に示す。
第１実施例では、第一温度調節ユニット１０および第二温度調節ユニット２０をそれぞれコイルばね１４またはコイルばね２４で支持する例について説明した。しかし、図５に示すように、第一温度調節ユニット１０のみをコイルばね１４で支持する構成としてもよい。また、図６に示すように、第二温度調節ユニット２０のみをコイルばね２４で支持する構成としてもよい。

（第２実施例）
本発明の第２実施例による温度制御装置を図７に示す。なお、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。
第２実施例では、図７に示すように温度制御装置２は第一温度調節ユニット１０および第二温度調節ユニット２０を複数備えている。また、マイクロチップ４１には、複数の被温度調節部が設定されている。第一温度調節ユニット１０および第二温度調節ユニット２０は、マイクロチップ４１の複数の被温度調節部にそれぞれ独立して設置される。これにより、マイクロチップ４１の複数の被温度調節部は、それぞれ独立して設置される第一温度調節ユニット１０および第二温度調節ユニット２０により独立して温度制御される。

第２実施例では、第一温度調節ユニット１０および第二温度調節ユニット２０は、それぞれ個別にコイルばね１４またはコイルばね２４で支持本体１５または支持本体２５に支持されている。図８に示すように、温度制御装置２の第一温度調節ユニット１０にマイクロチップ４１を搭載しないとき、各第一温度調節ユニット１０の温度調節部１１はマイクロチップ４１側の接触面１１ａが同一平面状に位置しない。これは、温度調節部１１およびペルチェ素子部１２の寸法のばらつき、あるいは各第一温度調節ユニット１０の温度調節部１１の温度差による寸法の変化や変形などが原因となり、第一温度調節ユニット１０の図８の上下方向の位置がずれたり、第一温度調節ユニット１０が傾斜するためである。すなわち、第一温度調節ユニット１０を複数設置する場合、各第一温度調節ユニット１０の温度調節部１１のマイクロチップ４１側の接触面１１ａ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、第一温度調節ユニット１０をそれぞれコイルばね１４で支持することにより、第一温度調節ユニット１０にマイクロチップ４１を搭載したとき、各第一温度調節ユニット１０の温度調節部１１の位置のずれはコイルばね１４が弾性変形することによって吸収する。その結果、各第一温度調節ユニット１０の温度調節部１１の接触面１１ａは、図７に示すように常にマイクロチップ４１の第一温度調節ユニット１０側の面４１ａに接する。これにより、各第一温度調節ユニット１０の温度調節部１１の接触面１１ａ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４１に反りが生じたり、マイクロチップ４１が変形しているときでも、各第一温度調節ユニット１０の温度調節部１１はマイクロチップ４１の一方の面４１ａに密着する。
また、第二温度調節ユニット２０も、第一温度調節ユニット１０と同様に個別にコイルばね２４で支持されている。そのため、各第二温度調節ユニット２０の温度調節部２１は、マイクロチップ４１の第一温度調節ユニット１０とは反対側の面４１ｂに密着する。

第２実施例では、マイクロチップ４１の複数の被温度調節部にはそれぞれ第一温度調節ユニット１０および第二温度調節ユニット２０が密着する。第一温度調節ユニット１０および第二温度調節ユニット２０は、それぞれコイルばね１４またはコイルばね２４によって独立して支持されている。これにより、各第一温度調節ユニット１０または各第二温度調節ユニット２０の寸法差もしくは傾斜、またはマイクロチップ４１の反りもしくは寸法のばらつきなどに関わらず、第一温度調節ユニット１０および第二温度調節ユニット２０はマイクロチップ４１の被温度調節部に密着する。したがって、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。

次に、上述の第２実施例による温度制御装置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９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９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の下方には第一温度調節ユニット１０が複数設置されている。また、マイクロチップ５０の上方には第二温度調節ユニット２０が複数設置されている。本実験例の場合、反応槽５３の下方に第一温度調節ユニット１０ａが設置され、反応槽５３の近傍における管路５５の下方に第一温度調節ユニット１０ｂが設置され、反応槽５３と生成槽５４との間における管路５５の下方に第一温度調節ユニット１０ｃが設置され、生成槽５４の近傍における管路５５の下方に第一温度調節ユニット１０ｄが設置されている。また、反応槽５３の上方に第二温度調節ユニット２０ａが設置され、反応槽５３の近傍における管路５５の上方に第二温度調節ユニット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の上方に第二温度調節ユニット２０ｃが設置され、生成槽５４の近傍における管路５５の上方に第二温度調節ユニット２０ｄが設置されている。

これらマイクロチップ５０において第一温度調節ユニット１０ａ、第一温度調節ユニット１０ｂ、第一温度調節ユニット１０ｃおよび第一温度調節ユニット１０ｄ、ならびに第二温度調節ユニット２０ａ、第二温度調節ユニット２０ｂ、第二温度調節ユニット２０ｃおよび第二温度調節ユニット２０ｄによって温度調節される部位が被温度調節部である。第一温度調節ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄおよび第二温度調節ユニット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、第一温度調節ユニット１０ａおよび第二温度調節ユニット２０ａ、第一温度調節ユニット１０ｂおよび第二温度調節ユニット２０ｂ、ならびに第一温度調節ユニット１０ｃおよび第二温度調節ユニット２０ｃの各ペルチェ素子部１２、２２に通電し、それぞれ７０℃まで加熱した。一方、第一温度調節ユニット１０ｄおよび第二温度調節ユニット２０ｄの各ペルチェ素子部１２、２２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、第一温度調節ユニット１０ａおよび第二温度調節ユニット２０ａ、ならびに第一温度調節ユニット１０ｂおよび第二温度調節ユニット２０ｂの各ペルチェ素子部１２、２２に通電し、それぞれ１００℃および８０℃に加熱した。一方、第一温度調節ユニット１０ｃおよび第二温度調節ユニット２０ｃ、ならびに第一温度調節ユニット１０ｄおよび第二温度調節ユニット２０ｄの各ペルチェ素子部１２、２２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１０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１０（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、第一温度調節ユニット１０ｅ、１０ｆ、１０ｇがそれぞれ設置されている。また、パラフィンバルブ７１、７２、７３の上方には、第二温度調節ユニット２０ｅ、２０ｆ、２０ｇがそれぞれ設置されている。これにより、第一温度調節ユニット１０ｅおよび第二温度調節ユニット２０ｅは、マイクロチップ６０においてパラフィンバルブ７１に接し、パラフィンバルブ７１の温度を調節する。同様に、第一温度調節ユニット１０ｆおよび第二温度調節ユニット２０ｆはパラフィンバルブ７２の温度を調節し、第一温度調節ユニット１０ｇおよび第二温度調節ユニット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。

第一温度調節ユニット１０ｅおよび第二温度調節ユニット２０ｅ、第一温度調節ユニット１０ｆおよび第二温度調節ユニット２０ｆ、ならびに第一温度調節ユニット１０ｇおよび第二温度調節ユニット２０ｇの各ペルチェ素子部１２、２２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１０（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の温度を調節する第一温度調節ユニット１０ｆおよび第二温度調節ユニット２０ｆの各ペルチェ素子部１２、２２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の温度を調節する第一温度調節ユニット１０ｅおよび第二温度調節ユニット２０ｅの各ペルチェ素子部１２、２２、およびパラフィンバルブ７３の温度を調節する第一温度調節ユニット１０ｇおよび第二温度調節ユニット２０ｇの各ペルチェ素子部１２、２２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、第一温度調節ユニット１０ｆおよび第二温度調節ユニット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、第一温度調節ユニット１０ｅおよび第二温度調節ユニット２０ｅ、または第一温度調節ユニット１０ｇおよび第二温度調節ユニット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１０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、それぞれ第一温度調節ユニット１０ｅおよび第二温度調節ユニット２０ｅ、第一温度調節ユニット１０ｆおよび第二温度調節ユニット２０ｆ、ならびに第一温度調節ユニット１０ｇおよび第二温度調節ユニット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。

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示す概略図である。 マイクロチップの任意の被温度調節部における温度変化を示す概略図である。 温度調節部と接するマイクロチップの温度勾配を示す概略図である。 マイクロチップの任意の被温度調節部における温度変化を示す概略図である。 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の変形例を示す概略図である。 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の変形例を示す概略図である。 本発明の第２実施例によるマイクロチップ用の温度制御装置を示す概略図である。 本発明の第２実施例によるマイクロチップ用の温度制御装置を示す概略図である。 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。 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。

符号の説明

１、２ 温度制御装置、１０、１０ａ〜１０ｇ 第一温度調節ユニット、１１、２１ 温度調節部、１２、２２ ペルチェ素子部、１３、２３ ヒートシンク、１４ コイルばね（第一弾性体）、２０、２０ａ〜２０ｇ 第二温度調節ユニット、２４ コイルばね（第二弾性体）、４０、４１、５０、６０ マイクロチップ、４０ａ、４１ａ 面、４０ｂ、４１ｂ 面、５３ 反応槽（被温度調節部）、５４ 生成槽（被温度調節部）、５５ 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 (5)

1. 単数または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、
   前記マイクロチップの一方の面側から前記被温度調節部に接し、前記被温度調節部を加熱または冷却する第一温度調節ユニットと、
   前記マイクロチップの他方の面側から前記被温度調節部に接し、前記マイクロチップを挟んで前記第一温度調節ユニットとは反対側から前記被温度調節部を加熱または冷却する第二温度調節ユニットと、
   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。
2. 前記第一温度調節ユニットを少なくとも前記マイクロチップの板厚方向へ移動可能に支持するとともに前記マイクロチップへ押し付ける第一弾性体を備え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。
3. 前記第二温度調節ユニットを少なくとも前記マイクロチップの板厚方向へ移動可能に支持するとともに前記マイクロチップへ押し付ける第二弾性体を備えることを特徴とする請求項１または２記載のマイクロチップ用の温度制御装置。
4. 前記第一温度調節ユニットおよび前記第二温度調節ユニットは、それぞれ熱伝導体から形成され前記被温度調節部に接する温度調節部、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、および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を有し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。
5. 前記マイクロチップは複数の前記被温度調節部を有し、
   前記第一温度調節ユニットおよび前記第二温度調節ユニットは複数の前記被温度調節部にそれぞれ独立して複数設置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のマイクロチップ用の温度制御装置。

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