JP2007132940A - 微細圧力制御を通した移動式微細流動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微細圧力制御を通した移動式微細流動制御装置を提供する。
【解決手段】設定圧力をそれぞれ発生させる複数の加圧チャンバーおよび減圧チャンバーを備える圧力発生部と、複数の選択バルブを含むバルブキットと、バイオチップに伝えられる設定圧力を選択するように前記選択バルブを制御するバルブ制御部を含む微細流動制御装置を提供する。前記それぞれの選択バルブはそれぞれの圧力チャンバーに相当する多くの種類の設定圧力のうちの何れか一つの設定圧力が連結通路を通してバイオチップに伝えられるように構成される。これにより、複雑な反応段階を有するバイオチップ内部の微細流動を効果的に制御でき、全体システムの大きさも既存のシステムに比べて非常に小さく構成できて移動式バイオチップシステムの商品化が可能であり、一つのチップ内で同時多発的な流動制御技術が複合的に要求される場合に有用に対応できる。
【選択図】図１

Description

本発明は微細圧力制御を通した移動式微細流動制御装置に係り、より詳しくは、ラボオンチップ（Ｌａｂ ｏｎ ａ ｃｈｉｐ）を含むバイオチップシステムおよび微細流体流動制御が必要な機器および産業分野で使用が可能な微細流動制御装置に関するものである。

過去には未来予測をする時、各技術が独自に発展して作られる成果物だけを想像する場合が多かった。しかしながら、最近は他の分野と研究成果を共有することによってはるかにさらに短い時間中に新しくて優れた製品を作る仕事が可能になっている。
２１世紀初期バイオテックが人間ゲノム地図の完成など飛躍的な発展を成し遂げることができたこともデータの処理および分析にＩＴ（情報処理技術）を活用したためである。
このように技術間融合は、最近研究開発の大勢に示されており、最も活発な分野が２０世紀を代表する技術であるＩＴと２１世紀を代表する技術であるＢＴの接木ということができる。
ここに最近はＮＴ（ナノテク：ナノメートル級加工技術 ）まで加勢して、これら新技術の発展によって、既存には想像できなかった新たな未来が可能になることと期待されている。
その中でもＤＮＡや蛋白質など生体物質とチップが複合した形態のバイオチップはＢＴ（バイオ技術）−ＩＴ（情報技術）−ＮＴ（ナノ技術）技術が全て活用される代表的な融合技術製品である。

最近、バイオチップは関連研究が活性化されながら、単純にバイオテック分野の研究成果を分析するために使われた初期用途から抜け出して、多様な産業分野にその波及効果が拡大される傾向である。
バイオチップとはガラス、シリコン、あるいはポリマーなどの材質から成る小さい基板上にＤＮＡ、蛋白質などの生物素材または生物素材受容体と電子装置を組み合わせて集積させておいたものをいう。
この時ＤＮＡを集積させておけばＤＮＡチップ、蛋白質を集積させておけば蛋白質チップという。
またバイオチップはマイクロアレイチップとマイクロフルイディクスチップに分類できる。
マイクロアレイチップは数千あるいは数万ケ以上のＤＮＡや蛋白質などを一定の間隔で配列付着し、分析対象物質を処理して、その結合様相を分析できるバイオチップをいい、ＤＮＡチップ、蛋白質チップなどが代表的である。
そして、マイクロフルイディクスチップは微量の分析対象物質を流しながら、チップに集積されている各種生物素材あるいはセンサーと反応する様相を分析できるバイオチップとして、ラボオンチップと呼ばれることもある。
このようなマイクロフルイディクスチップは生化学物質の分析時使用される自動分析装置の試料前処理過程に必須のポンプ、バルブ、反応器、抽出機、分離システムなどの機能とセンサー技術を同じチップ上に搭載し結合させたものである。

現在、ＤＮＡ分析のためのバイオチップの場合には一部商品化製品が出ているが、チップ内部の微細流動を精密に制御しなければならないラボオンチップまたはマイクロフルイディクスチップはその適用分野が非常に広範であるにもかかわらず、総合分析システムとしての完成されたシステムはまだ商用化されたものがない。
今後、このようなバイオチップ産業分野は次第に一般人を対象にする保健および医療分野にその領域が拡大されると予想されており、遠くない将来には飲食物や住居環境の新鮮度あるいは汚染度などをモニタリングするための手段でも用いることができると予想される。
したがって、バイオチップはこれから私たちの社会に広く普及されて、人類の生活や医療環境を向上させることに大きく寄与するものである。
これは、コンピュータの普及によりＩＴ産業が新たなパラダイムを引き出したように、今後バイオチップのような生体および環境診断システムがＢＴ産業基盤の新たなパラダイムとなって私たちの人生を変えるようになることを想像させる。

バイオチップ関連研究が活発になることによってバイオチップの適用対象が大学や研究所でのＤＮＡまたは蛋白質研究などに限定されず、血液や唾液、あるいは生理的分泌物など一般的な対象にその領域を次第に広めていっている。
しかしながら、バイオチップの発展に比べてチップ内部微細流動を効果的に制御する流動制御技術や検査結果を鑑識できる検出技術などのような要素技術の発展は不備な状況である。
これにより、まだバイオチップシステムが多様な機能を持ちながらも、携帯用で移動が可能な総合分析システムにまで発展できない状況である。

既存のバイオチップの場合は実験室で予め分離、精製および増幅されたＤＮＡや蛋白質を直接使って、チップ上に実現する単純な構造である。一般人までも使用が可能なラボオンチップになるためには血液、体細胞などを出発試料にしてＤＮＡおよび蛋白質をチップ上に抽出するべきである。
このためにはターゲットＤＮＡと洗浄液が移動するための微細チャンネルをチップ上に設計しなければならない。この微細チャンネルはサンプルおよび反応試薬などを移動させたり、混合、反応、分離、稀釈、精製する過程での流体の流れの経路となる。
多くの場合に最適の工程流れを得るために各反応物や生成物の流れを開閉したり断続が必要な場合がある。この場合、チャンネル途中にポンプやバルブを配置することによって流体の流れを調節できる。

ところで、実際チップ内の流体を駆動する流動制御装置で従来は注射器ポンプまたは高電圧（数ｋＶ）を用いた電気駆動装置を使ってきた。
したがって、このような方式の流動制御に使用される周辺装置は寸法が大きくて重く、移動式バイオチップに配置しにくくて、チップ内部の微細流体流動を効果的に制御することにおいて技術的にも適することができない実情である。
また、現在商用化されて使用されているバイオチップは非常に簡単な駆動方式で単純な流動流れだけを実現している程度に止まっている実情である。

本発明の技術的課題は、寸法が小さく重量は軽く、携帯用として移動が可能で、チップ内部の微細流動をより効果的に制御できるバイオチップ用流動制御装置を提供することにある。

前記本発明の技術的課題は、設定圧力をそれぞれ発生させる複数の圧力チャンバーを備える圧力発生部;複数の選択バルブを含み、前記それぞれの選択バルブはそれぞれの圧力チャンバーに相当する多くの種類の設定圧力のうちの何れか一つの設定圧力が連結通路を通して、バイオチップに伝えられるように構成されるバルブキット;および前記バイオチップに伝えられる設定圧力を選択するように前記選択バルブを制御するバルブ制御部を含む微細流動制御装置によって達成できる。

本発明の実施例において、前記圧力チャンバーは別途のエネルギー供給が不要な小さい寸法の加圧チャンバー、減圧チャンバーまたはこのチャンバーの組み合わせに構成でき、バルブ制御部は作業者によって入力される情報または予め入力されたプログラムにより選択バルブを制御するコンピュータを含むことができる。

このような構成の微細流動制御装置は低価格で制御装置全体の大きさと重量が既存の装置に比べて非常に小さい。また、制御過程をプログラミングできるバルブキットを使うことによって、チップ内部の微細流動を正確で効果的に制御できる。
したがって、本発明の実施例による微細流動制御装置は多目的携帯用バイオチップシステムの商品化において核心的な基盤技術になることができることと期待される。
バイオチップ内部の微細流動を効果的に制御できる本発明の実施例による微細流動制御装置は移動式バイオチップ総合分析システムの開発を操り上げる場合にも大きく役に立つものである。
そして、今後バイオチップの機能がより複雑になるほど多様で微細な流動制御技術が要求されるので本発明の実施例による微細流動制御装置がさらに有用に使用されると予想される。

本発明のバイオチップ用流動制御装置はバイオチップ内部の微細流動をデジタル方式で制御するので、複雑な反応段階を有するバイオチップ内部の微細流動を効果的に制御できる。
例えば、流動制御の精密度は幅０．１ｍｍ、高さ０．０５ｍｍの微細チャンネルを基準にする時、チャンネル内部流動を０．０１ｍｍ以内に制御が可能であるが、これは５０ナノリットルに相当する。
そして、全体システムの大きさも既存のシステムに比べて非常に小さく構成できる。
したがって、移動式バイオチップシステムの商品化が可能である。
また、今後バイオチップの機能が複雑になって、一つのチップ内で同時多発的な流動制御技術が複合的に要求される場合に有用に対応できる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。
図１は、本発明の実施例によるバイオチップ用流動制御装置の概略的な構成図を示すものであり、図２は図１に示すバルブキットの底面図を示すものであり、図３は図２に示す選択バルブの拡大底面図を示すものである。

図示するように、本発明の実施例による流動制御装置は圧力発生部１０とバルブキット２０およびバルブ制御部３０を備える。
前記圧力発生部１０は、複数の圧力チャンバー（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）を備え、これらのチャンバー（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）はチャンバーハウジング１４に固定設置される。
前記圧力チャンバー（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）は正（＋）の圧力を発生させる加圧チャンバー（１２ａ、１２ｂ）と、負（−）の圧力を発生させる減圧チャンバー（１２ｃ、１２ｄ）から成る。ここで、前記減圧チャンバー（１２ｃ、１２ｄ）はバイオチップ４０からサンプルを抽出する時、そして攪拌させる時、などに使用が可能である。

このような圧力チャンバー（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）の個数および種類は多様な形態に変形が可能で、また正（＋）圧と負（−）圧の大きさも多様な形態に設定が可能である。換言すると、互いに異なる一定圧力と作用流体を有する圧力チャンバーを多数個備え、各チャンバーと負荷流路を制御可能なバルブで連結し、各バルブを適宜にオン・オフ制御して所望の負荷圧力を生成させると共に、所望の作用流体を負荷流路に流通させて、所望の作用または反応を行わせることが出来る。

具体的には示さないが、前記圧力チャンバー（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）はシリンダーと、シリンダー内部のピストン体と、ピストン体を作動させて、シリンダーの圧力を設定する圧力設定部を含むことができる。
この場合、前記圧力設定部は手動型または自動型で構成できるが、手動型の場合にはピストン体に連結されて、シリンダーの外部に突出設けられる取手で構成できる。
手動型圧力設定部は、圧力チェンバーで圧力を発生させるための別途の動力源を除去できるので、システム大きさを縮めることができて移動式バイオチップシステムの商品化に資することができる。
そして、自動型の場合には電気的な信号に応じてピストン体を作動させる別途のアクチュエータで構成できる。

一方、前記圧力チャンバー（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）はシリンダーで発生する圧力を感知する圧力感知部、例えば圧力センサーをさらに含むことができる。
この場合、バルブ制御部３０は圧力感知センサで感知される圧力信号を受信して、前記圧力が設定圧力に到達した場合映像または音声に出力でき、また圧力使用により前記圧力が設定圧力より低下される場合にもこれを映像または音声に出力できる。

圧力チャンバー（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）のチャンバー出口が連結するバルブキット２０は複数の選択バルブ２２を含む。
それぞれの選択バルブ２２は、前記圧力チャンバー（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）に相当する多くの種類の設定圧力のうちの何れか一つの設定圧力が連結通路２４によって、バイオチップ４０に伝えられるように構成されるものであり、前記選択バルブ２２は多様な形態で構成できる。

例えば、前記選択バルブ２２は複数の流路（２２ａ）を備えるバルブ本体（２２ｂ）と、前記流路（２２ａ）のうちの選択された何れか一つの流路だけ開放するように作動するバルブ体（２２ｃ）と、バルブ制御部３０からの信号に応じて前記バルブ体（２２ｃ）を設定量ほど回転作動させるアクチュエータから成ることができる。
前記複数の流路（２２ａ）には圧力チャンバー（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）がそれぞれ連結される。したがって、バルブ体（２２ｃ）によって選択された流路（２２ａ）による何れか一つの圧力チャンバーの圧力がバイオチップ４０に伝えられる。このような作用はそれぞれの圧力チャンバー（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）で独立的になる。
つまり、それぞれの選択バルブ２２はバイオチップ４０の各注入口に連結して、注入口ごとに流動を独立的に制御するようになる。

前記選択バルブ２２はバルブ制御部３０のプログラムによって、バルブ体（２２ｃ）がオン／オフされながら、数ｍｓの短時間で非常に急速に操作できる。
したがって、非常に小さい流量も実現が可能である。

また、図示しないが、一つのバルブラインに二ケ以上のバルブを設置して、非常に短時間に連続的に調節する場合にはより小さい流量を精密に制御できるようになる。
そして、前記バルブ制御部３０は作業者によって入力される情報、または予め入力されたプログラムにより駆動部を制御するコンピュータで構成できて、この場合、コンピュータは圧力感知センサーからの信号に応じて圧力チャンバーの圧力情報を映像または音声で表示できる。また、前記プログラムはバイオチップの種類に応じて多様にプログラミングすることができる。

このような構成によれば、選択バルブに具備された複数の流路に圧力チャンバーをそれぞれ連結する方式で複数の選択バルブと圧力チャンバーを連結して、選択バルブの圧力排出部を連結通路２４を用いて、バイオチップ４０の当該地点にそれぞれ連結した状態でバルブ制御部３０を用いて、各選択バルブ２２のバルブ体を個別的に制御できる。
したがって、バイオチップ４０の当該地点に伝えられる圧力を調節できる。
これにより、バイオチップ内部の微細流体流動を精密に制御できる効果がある。
例えば、本発明の実施例による微細流動制御装置の制御精密度は幅０．１ｍｍ、高さ０．０５ｍｍの微細チャンネルを基準にする時、チャンネル内部流動を０．０１ｍｍ以内に制御が可能である。

前記では本発明の望ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなくて特許請求の範囲と発明の詳細な説明および添付した図面の範囲内で多様に変形して実施するものが可能である。
例えば、本発明の実施例による流動制御装置は医療用流体関連部品の流動制御装置としても使用が可能であり、これもまた本発明の範囲に属することは当然である。

本発明の実施例による微細流動制御装置の概略的な構成図である。 図１に示すバルブキットの底面図である。 図２に示す選択バルブの拡大底面図である。

符号の説明

１０ 圧力発生部
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ 圧力チャンバー
１４ チャンバーハウジング
２０ バルブキット
２２ 選択バルブ
２２ａ 流路
２２ｂ バルブ本体
２２ｃ バルブ体
２４ 連結通路
３０ バルブ制御部
４０ バイオチップ

Claims (6)

1. 設定圧力をそれぞれ発生させる複数の圧力チャンバーを備える圧力発生部;
   複数の選択バルブを含み、前記それぞれの選択バルブはそれぞれの圧力チャンバーに相当する多くの種類の設定圧力のうちの何れか一つの設定圧力が連結通路を通して、バイオチップに伝えられるように構成されるバルブキット;および
   前記バイオチップに伝えられる設定圧力を選択するように前記選択バルブを制御するバルブ制御部
   を含むことを特徴とする、微細圧力制御を通した移動式微細流動制御装置。
2. 前記バルブ制御部は、作業者によって入力される情報または予め入力されたプログラムにより選択バルブを制御するコンピュータを含むことを特徴とする、請求項１に記載の微細圧力制御を通した移動式微細流動制御装置。
3. 前記選択バルブは複数の流路を備えるバルブ本体と、前記流路の中で選択された何れか一つの流路だけ開放するように回転作動するバルブ体を含むことを特徴とする、請求項２に記載の微細圧力制御を通した移動式微細流動制御装置。
4. 前記圧力チャンバーは加圧チャンバー、減圧チャンバーまたはこのチャンバーの組み合わせからなることを特徴とする、請求項１に記載の微細圧力制御を通した移動式微細流動制御装置。
5. 前記バルブ制御部は作業者によって入力される情報または予め入力されたプログラムにより選択バルブを制御するコンピュータを含むことを特徴とする、請求項４に記載の微細圧力制御を通した移動式微細流動制御装置。
6. 前記選択バルブは複数の流路を備えるバルブ本体と、前記流路の中で選択された何れか一つの流路だけ開放するように回転作動するバルブ体を含むことを特徴とする、請求項５に記載の微細圧力制御を通した移動式微細流動制御装置。

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