JP2007248218A - Microchip - Google Patents

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Takahide Maguchi
挙秀 間口
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a novel microvalve capable of functioning even as a changeover valve or a check valve when the microvalve is mounted on a microchip and capable of easily performing the fine adjustment of a flow rate. <P>SOLUTION: In the microchip composed of an upper substrate and a lower substrate and having at least one microchannel arranged between both substrates, at least one microvalve is inserted in the microchannel at a proper place, the microvalve is composed of two sheet members different in thickness, at least one recess and the air flow channel communicating with the recess are arranged to the thick sheet member, the thin sheet member is bonded to the thick sheet member so as to shield the groove and recess of the thick sheet member, the ratio (T<SB>1</SB>:T<SB>2</SB>) of the thickness (T<SB>1</SB>) of the thin sheet member and the bottom part thickness (T<SB>2</SB>) of the recess is within a range of 1:2-1:10 and the depth (D) of the recess is within a range of 1.3-5 times of the bottom part thickness (T<SB>2</SB>) of the recess. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

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制御機構付マイクロチップに関する。更に詳細には、本発明はマイクロチップ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マイクロバルブに関する。   The present invention relates to a microchip with a microfluidic control mechanism widely used for chemical / biochemical analysis such as gene analysis. More specifically, the present invention relates to a microchannel for controlling a flow of a fluid in a microchannel or a reaction vessel formed in a microchip substrate.

最近、マイクロ・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「マイクロチップ」又は「マイクロ流体デバイス」と呼ばれる。マイクロチップは遺伝子解析、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、マイクロチップは(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。   Recently, micro-channels, reaction vessels, ports, and other microstructures have been created in the substrate, as is known by the names such as Micro Total Analysis Systems (μTAS) or Lab-on-Chip (Lab-on-Chip). Microdevices configured to perform various operations such as chemical reaction, synthesis, purification, extraction, generation and / or analysis of substances within the microstructure have been proposed and partially put into practical use. Structures manufactured for this purpose and having a microstructure such as microchannels, ports and reaction vessels in the substrate are collectively referred to as “microchips” or “microfluidic devices”. Microchips can be used in a wide range of applications such as chemical industry and environmental measurement as well as chemical, biochemical, pharmaceutical, medical, and veterinary fields such as gene analysis, clinical diagnosis, and drug screening. Compared with the same type of equipment of the common size, the microchip is (1) significantly less sample and reagent usage, (2) shorter analysis time, (3) higher sensitivity, (4) carried on-site, It can be analyzed in the field and (5) can be disposable.

従来のマイクロチップ100は、例えば、図6A及び図6Bに示されるように、上面基板102に少なくとも1本のマイクロチャネル104が形成されており、このマイクロチャネル104の少なくとも一端には入出力ポート106,106が形成されており、基板102の下面側に下面基板108が接着されている。この下面基板108の存在により、ポート106,106及びマイクロチャネル104の底部が封止される。入出力ポート106,106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。   In the conventional microchip 100, for example, as shown in FIGS. 6A and 6B, at least one microchannel 104 is formed on the upper substrate 102, and an input / output port 106 is provided at least at one end of the microchannel 104. , 106 are formed, and a lower substrate 108 is bonded to the lower surface side of the substrate 102. The presence of the lower substrate 108 seals the ports 106 and 106 and the bottom of the microchannel 104. The main uses of the input / output ports 106 and 106 are (a) injection of reagents and specimen samples (dispensing), (b) extraction of waste liquids and products, and (c) supply of gas pressure (mainly for liquid feeding (D) Release to the atmosphere (dispersion of internal pressure generated during liquid delivery, release of gas generated by reaction) and (e) Sealing (preventing liquid evaporation and deliberately reducing internal pressure) For the purpose of generating).

このようなマイクロチップには連続的な流体(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及び特許文献2に記載されている。   In such a microchip, a microvalve may be provided in the middle of the microchannel for the purpose of controlling the flow of a continuous fluid (for example, liquid or gas) and the transfer of microdroplets. Such a microvalve is described in Patent Document 1 and Patent Document 2, for example.

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ので、流量の微調整は非常に難しかった。   The microvalve described in FIG. 1 of Patent Document 1 has a thick first conduit and a diameter smaller than that of the first conduit, and one end communicates with the first conduit. A plurality of connected thin tubes and a second conduit formed so as to be larger in diameter than the thin tube and connected to the other end of the thin tube, and the inner wall of the thin tube is made hydrophobic. It consists of being formed. According to the microvalve, when the liquid is introduced into the first conduit, the first pressure is determined according to the pressure difference between the pressure on the first conduit side and the pressure on the second conduit side with the liquid as a boundary. The position of the liquid in the conduit can be arbitrarily controlled. However, in the microvalve disclosed in Patent Document 1, it is very difficult to form a plurality of capillaries, and there is a risk that the capillaries will be damaged if the pressure difference is too large. In addition, it is very difficult to make only the thin tube portion specifically hydrophobic. Furthermore, the microvalve of the microvalve of Patent Document 1 cannot function as a check valve, and a pressure difference cannot be generated unless a pump is used. Therefore, fine adjustment of the flow rate is very difficult.

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、便座に離着するメンブレ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レ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、バルブの開閉はできても、流量を微調整することは困難である。更に、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。   The microvalve described in FIG. 3 of Patent Document 2 is composed of two polydimethylsiloxane (PDMS) micro-channel chips and one membrane, and the membrane that moves in the valve region operates by attaching and detaching to the valve seat. A valve mechanism for opening and closing the fluid passage; Further, in this microvalve, a driving fluid passage having a pressure chamber in which the pressure of the driving fluid acts in the valve region is formed by bonding to the membrane, and the membrane is obtained by supplying and discharging the pressure of the driving fluid to and from the pressure chamber. Is configured to be opened and closed as a one-way valve by detaching it from the valve seat. However, the microvalve described in Patent Document 2 has only insufficient displacement between the membrane and the valve seat when the valve is opened because the membrane that is attached to and detached from the toilet seat is only displaced in one direction toward the pressure chamber. The fluidity of the fluid is low, causing pulsating flow. Even if the valve can be opened and closed, it is difficult to finely adjust the flow rate. Furthermore, since the pressure of the driving fluid is supplied from the vacuum pump via the glass pipe, the entire apparatus becomes complicated and expensive.

特許文献1及び2に示されるようなマイクロバルブは、アクセスチューブからチップへのフロー系システムとしての使用しか考慮されていない。アクセスチューブを使用するということは、すなわち、外部圧力を使用することであり、その結果、装置が大掛かりになり、構造的にも煩雑になる。更に、特許文献1に記載された発明のように、製造プロセスでシリコンウエハを異方性反応性イオンエッチングで加工する工程が必要な場合、処理時間、反応室容量の限界、スループットの問題などにより大量生産には不向きであり、しかも、使用する反応ガスなどのコスト及び処理時間がかさむため、使い捨てチップにするには不向きな製造方法である。また、特許文献1及び2に示されるようなマイクロバルブは、複数の液体試薬類を順不同に切り換えてマイクロチャネルに供給するような目的には使用できない。   The microvalves as shown in Patent Documents 1 and 2 are only considered for use as a flow system from an access tube to a chip. The use of the access tube means that an external pressure is used. As a result, the apparatus becomes large and the structure becomes complicated. Furthermore, when a process for processing a silicon wafer by anisotropic reactive ion etching is required in the manufacturing process as in the invention described in Patent Document 1, due to processing time, reaction chamber capacity limit, throughput problems, etc. This method is unsuitable for mass production and is unsuitable for disposable chips because of the increased cost and processing time of the reaction gas used. Moreover, the microvalves as shown in Patent Documents 1 and 2 cannot be used for the purpose of switching a plurality of liquid reagents in random order and supplying them to the microchannel.

特開2000−27813号公報JP 2000-27813 A 特許第3418727号明細書Japanese Patent No. 3418727

従って、本発明の目的は、マイクロチップに実装した際、切替バルブや逆止弁としても機能することができ、流量の微調整を容易に実施することができる新規なマイクロバルブを提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a novel microvalve that can function as a switching valve and a check valve when mounted on a microchip, and can easily perform fine adjustment of the flow rate. is there.

前記課題を解決するための手段としての請求項1の発明は、上面基板と下面基板とからなり、両基板の間に配設された1本以上のマイクロチャネルを有するマイクロチップにおいて、
前記マイクロチャネルの適所に1本以上のマイクロバルブが挿入されており、
該マイクロバルブは厚さの異なる2枚のシート部材からなり、厚さの厚いシート部材には1個以上の凹部と、該凹部に連通する空気流路が配設されており、厚さの薄いシート部材は、前記厚さの厚いシート部材の前記溝及び凹部を遮蔽するように前記厚さの厚いシート部材の表面に接着されており、
前記薄いシート部材の厚さ(T)対前記凹部の底部厚さ(T)の比(T:T)が1:2〜1:10の範囲内であり、
前記凹部の深さ(D)は前記凹部の底部厚さ(T)の1.3倍〜5倍の範囲内であることを特徴とするマイクロチップである。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a microchip that includes an upper substrate and a lower substrate, and has one or more microchannels disposed between the substrates.
One or more microvalves are inserted in place in the microchannel,
The microvalve is composed of two sheet members having different thicknesses, and the thick sheet member is provided with one or more recesses and an air flow path communicating with the recesses, and is thin. The sheet member is bonded to the surface of the thick sheet member so as to shield the groove and the recess of the thick sheet member,
The ratio (T 1 : T 2 ) of the thickness (T 1 ) of the thin sheet member to the bottom thickness (T 2 ) of the recess is in the range of 1: 2 to 1:10;
The depth (D) of the recess is within a range of 1.3 to 5 times the bottom thickness (T 2 ) of the recess.

この発明によれば、空気流路を介して凹部に加圧空気を送り込むと、薄いシート部材が風船のように大きく膨隆し、次いで、厚いシート部材も若干膨隆するように変形する。このようにして発生した変形応力差により、凹部の先端部分が厚いシート部材側に向かって屈曲する。この屈曲現象を利用することによりバルブの開閉動作を行わせることができる。マイクロチップのマイクロチャネルに挿入されたマイクロバルブが屈曲してマイクロチャネルを開閉することができる。   According to the present invention, when pressurized air is sent to the recess through the air flow path, the thin sheet member is greatly bulged like a balloon, and then the thick sheet member is also deformed to be slightly bulged. Due to the deformation stress difference generated in this way, the tip portion of the recess is bent toward the thick sheet member side. By utilizing this bending phenomenon, the valve can be opened and closed. The microvalve inserted into the microchannel of the microchip can be bent to open and close the microchannel.

前記課題を解決するための手段としての請求項2の発明は、前記厚いシート部材及び薄いシート部材がいずれもポリジメチルシロキサン(PDMS)からなるシリコーンゴム製であることを特徴とする請求項1のマイクロチップである。   The invention of claim 2 as means for solving the above-mentioned problems is characterized in that the thick sheet member and the thin sheet member are both made of silicone rubber made of polydimethylsiloxane (PDMS). It is a microchip.

この発明によれば、厚いシート部材及び薄いシート部材は空気流路及び凹部以外の箇所では相互に恒久接着することができる。その結果、加圧空気を凹部に送入した際、凹部部分の薄いシート部材だけが選択的に風船様に膨張することができる。   According to the present invention, the thick sheet member and the thin sheet member can be permanently bonded to each other at locations other than the air flow path and the recess. As a result, when pressurized air is fed into the recess, only the thin sheet member of the recess can selectively expand like a balloon.

前記課題を解決するための手段としての請求項3の発明は、前記マイクロバルブが前記空気流路に連通する貫通孔を有するアダプタを更に有することを特徴とする請求項1のマイクロチップである。   The invention of claim 3 as means for solving the above-mentioned problems is the microchip according to claim 1, characterized in that the microvalve further has an adapter having a through hole communicating with the air flow path.

この発明によれば、アダプタの貫通孔を介して空気流路に加圧空気を容易に送入することができる。   According to this invention, pressurized air can be easily fed into the air flow path through the through hole of the adapter.

本発明のマイクロバルブは空気圧により開閉動作を制御できるため、その操作が簡便であるばかりか、空気圧を調整することにより弁構造を微妙に変化させ、弁の開閉量を制御して流量を微調整することができる。また、本発明のマイクロバルブは切替バルブや逆止弁としても機能することができる。更に、マイクロチップとは別体として作製できるので、製造が容易であり、その結果、低コストを実現することができる。使用後はマイクロチップから取り外して、別の新たなマイクロチップに実装することにより再利用することも可能である。   Since the microvalve of the present invention can control the opening and closing operation by air pressure, it is not only easy to operate, but the valve structure is subtly changed by adjusting the air pressure, and the valve opening and closing amount is controlled to finely adjust the flow rate can do. The microvalve of the present invention can also function as a switching valve and a check valve. Furthermore, since it can be manufactured separately from the microchip, it is easy to manufacture, and as a result, low cost can be realized. After use, it can be reused by removing it from the microchip and mounting it on another new microchip.

図1は本発明のマイクロバルブ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に示されるマイクロバルブの駆動状態を示す概要断面図であり、図4は図1に示されるマイクロバルブを実装したマイクロチップの一例の部分概要断面図であり、図5は該マイクロチップにおけるマイクロバルブの駆動状態を示す部分概要断面図である。   1 is a schematic plan view of an example of the microvalve of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 1, and FIG. 3 shows a driving state of the microvalve shown in FIG. 4 is a schematic sectional view, FIG. 4 is a partial schematic sectional view of an example of a microchip on which the microvalve shown in FIG. 1 is mounted, and FIG. 5 is a partial schematic sectional view showing a driving state of the microvalve in the microchip. is there.

図1及び図2に示されるように、本発明のマイクロバルブ1は厚さの厚い第1のシート部材3と厚さの薄い第2のシート部材5とが貼り合わせた2枚構造を有する。厚さの厚い第1のシート部材3には、所定の容積の凹部7と、この凹部7に連通する空気流路9が形成されている。更に、この空気流路9を介して凹部7に加圧空気を送り込むためのアダプタ11が厚さの薄い第2のシート部材5の上面に定着されている。アダプタ11には空気流路9に連通する貫通孔13が配設されている。貫通孔13には、加圧ポンプ(図示されていない)からのチューブ(図示されていない)などを接続できる。   1 and 2, the microvalve 1 of the present invention has a two-sheet structure in which a thick first sheet member 3 and a thin second sheet member 5 are bonded together. The first sheet member 3 having a large thickness is formed with a recess 7 having a predetermined volume and an air flow path 9 communicating with the recess 7. Further, an adapter 11 for sending pressurized air into the recess 7 through the air flow path 9 is fixed on the upper surface of the second sheet member 5 having a small thickness. A through hole 13 communicating with the air flow path 9 is disposed in the adapter 11. A tube (not shown) from a pressure pump (not shown) can be connected to the through hole 13.

図3に示されるように、アダプタ11の貫通孔13から空気流路9を介して凹部7に加圧空気を送り込むと、薄い第2のシート部材5が風船のように大きく膨隆し、次いで、厚い第1のシート部材3も若干膨隆するように変形する。このようにして発生した変形応力差により、凹部7の先端部分が厚い第1のシート部材3側に向かって屈曲する。この屈曲現象を利用することによりマイクロバルブ1の開閉動作を行わせることができる。屈曲の大きさは印加される圧力に応じて変化する。印加する圧力は40kPa〜300kPa程度である。印加する圧力が40kPa未満では屈曲は殆ど起こらない。300kPa超の圧力では、屈曲角度が180゜付近で飽和し、むしろマイクロバルブ自体が破壊損傷する危険性が生じる。   As shown in FIG. 3, when pressurized air is sent from the through hole 13 of the adapter 11 to the concave portion 7 through the air flow path 9, the thin second sheet member 5 bulges greatly like a balloon, The thick first sheet member 3 is also deformed to slightly bulge. Due to the deformation stress difference thus generated, the tip portion of the recess 7 is bent toward the thick first sheet member 3 side. By utilizing this bending phenomenon, the microvalve 1 can be opened and closed. The magnitude of the bending changes according to the applied pressure. The applied pressure is about 40 kPa to 300 kPa. When the applied pressure is less than 40 kPa, bending hardly occurs. If the pressure exceeds 300 kPa, the bending angle saturates at around 180 °, and there is a risk that the microvalve itself may be damaged.

本発明のマイクロバルブ1において、第1のシート部材3及び第2のシート部材5は、可撓性で伸縮性のある素材から形成されている。このような素材は例えば、ポリジメチルシロキサン(PDMS)などのようなシリコーンゴムが好ましい。特に、PDMSは表面改質することによりシート同士が恒久接着し、剥離を起こさないので特に好ましい。   In the microvalve 1 of the present invention, the first sheet member 3 and the second sheet member 5 are made of a flexible and stretchable material. Such a material is preferably a silicone rubber such as polydimethylsiloxane (PDMS). In particular, PDMS is particularly preferable because the sheets are permanently bonded to each other by surface modification and do not cause peeling.

本発明のマイクロバルブ1において重要なことは、凹部7における第1のシート部材3の厚さと第2のシート部材5の厚さの比率である。一般的に、凹部7における第2のシート部材5の厚さTと第1のシート部材3の厚さTの比率は、T:T=1:2〜1:10の範囲内であることが好ましい。T:Tが1:2未満の場合、例えば、1:1の場合、第1のシート部材3と第2のシート部材5の伸縮率や変形応力が均等になり、凹部7が真円形の風船のように膨張するだけで屈曲は起こらない。一方、T:Tが1:10超の場合、例えば、1:11の場合、第2のシート部材5は膨張しても、第1のシート部材3は殆ど伸縮しないので変形応力は第1のシート部材3には発生せず、寧ろ、第2のシート部材5が破裂する危険性が生じる。 What is important in the microvalve 1 of the present invention is the ratio of the thickness of the first sheet member 3 and the thickness of the second sheet member 5 in the recess 7. Generally, the thickness ratio of T 2 of the thickness T 1 of the second sheet member 5 in the recess 7 and the first sheet member 3, T 1: T 2 = 1 : 2~1: 10 in the range of It is preferable that When T 1 : T 2 is less than 1: 2, for example, 1: 1, the expansion ratio and deformation stress of the first sheet member 3 and the second sheet member 5 become equal, and the recess 7 is a perfect circle. It just expands like a balloon and doesn't bend. On the other hand, when T 1 : T 2 is greater than 1:10, for example, 1:11, even if the second sheet member 5 expands, the first sheet member 3 hardly expands or contracts, so the deformation stress is the first. However, there is a risk that the second sheet member 5 may burst without being generated in the first sheet member 3.

また、凹部7の底部から第2のシート部材5の下面までの深さD(以下「凹部7の深さD」という)は、第1のシート部材3の厚さTよりも大きいことが必要である。凹部7の深さDは第1のシート部材3の厚さTよりも1.3倍〜5倍程度大きいことが好ましい。凹部7の深さDが第1のシート部材3の厚さTよりも1.3倍未満では、屈曲度合いを精密に制御することが困難になる。一方、凹部7の深さDが第1のシート部材3の厚さTよりも5倍超では、凹部7の容積が大きくなりすぎ、屈曲応答性が低下する。 In addition, the depth D from the bottom of the recess 7 to the lower surface of the second sheet member 5 (hereinafter referred to as “depth D of the recess 7”) is greater than the thickness T 2 of the first sheet member 3. is necessary. The depth D of the recess 7 is preferably about 1.3 to 5 times larger than the thickness T 2 of the first sheet member 3. The depth D of the concave portion 7 is less than 1.3 times greater than the thickness T 2 of the first sheet member 3, it is difficult to precisely control the degree of flexion. On the other hand, the depth D of the concave portion 7 is in the 5-fold greater than the thickness T 2 of the first sheet member 3, the volume of the recess 7 becomes too large, the bending response is reduced.

空気流路9の幅及び高さは適宜選択することができる。例えば、空気流路9の幅は10μm〜500μm程度で、高さは10μm〜300μm程度であることができる。   The width and height of the air flow path 9 can be selected as appropriate. For example, the air channel 9 may have a width of about 10 μm to 500 μm and a height of about 10 μm to 300 μm.

第1のシート部材3に空気流路9及び凹部7を形成する方法としては、当業者に公知慣用の任意の方法を使用できる。例えば、光リソグラフィー法により作製されたシリコーン鋳型にPDMSプレポリマーを流し込んで、重合させる方法、又は機械的に刻設する方法などが使用できる。   As a method of forming the air flow path 9 and the concave portion 7 in the first sheet member 3, any conventional method known to those skilled in the art can be used. For example, a PDMS prepolymer can be poured into a silicone mold produced by photolithography and polymerized, or a mechanical engraving method can be used.

アダプタ11を使用する場合、この部材もPDMSから構成されていることが好ましい。アダプタ11がPDMSから構成されている場合、PDMS製の第2のシート部材5の上面にアダプタ11を恒久接着させることができるからである。しかし、アダプタ11は他の素材(例えば、熱可塑性合成樹脂など)から構成することもできる。アダプタ11がPDMS以外の素材から構成されている場合、アダプタ11を第2のシート部材5の上面に固着させるために、必要に応じて接着剤(例えば、エポキシ樹脂)などを使用することもできる。   When using the adapter 11, it is preferable that this member is also comprised from PDMS. This is because when the adapter 11 is made of PDMS, the adapter 11 can be permanently bonded to the upper surface of the second sheet member 5 made of PDMS. However, the adapter 11 can be made of other materials (for example, thermoplastic synthetic resin). When the adapter 11 is made of a material other than PDMS, an adhesive (for example, epoxy resin) or the like can be used as necessary to fix the adapter 11 to the upper surface of the second sheet member 5. .

図4Aは、本発明のマイクロバルブ1を実装したマイクロチップ20の一例の部分概要断面図である。マイクロチップ20は公知慣用のマイクロチップと同様に、上面基板22と下面基板24を有し、該基板間にマイクロチャネル(流路)26を有する。一方の基板側(図4Aでは上面基板22側)からマイクロチャネル(流路)26を閉塞するようにマイクロバルブ1を垂直に挿入する。上面基板22に開設された挿入孔の上部を封止するため、適当な接着剤又はシーラント28を使用することができる。図4Aでは、下面基板24側に段差が設けられているが、この段差は無くてもよい。   FIG. 4A is a partial schematic cross-sectional view of an example of a microchip 20 on which the microvalve 1 of the present invention is mounted. The microchip 20 has an upper surface substrate 22 and a lower surface substrate 24 as well as known and commonly used microchips, and a microchannel (flow path) 26 between the substrates. The microvalve 1 is inserted vertically from one substrate side (upper surface substrate 22 side in FIG. 4A) so as to close the microchannel (flow path) 26. A suitable adhesive or sealant 28 can be used to seal the top of the insertion hole formed in the top substrate 22. In FIG. 4A, a step is provided on the lower substrate 24 side, but this step may not be provided.

図4Bは、マイクロバルブ1の作動状態を示す部分概要断面図である。アダプター11の貫通孔13から空気流路9を介して凹部7に加圧空気を送り込むと、薄い第2のシート部材5が風船のように大きく膨隆し、次いで、厚い第1のシート部材3も若干膨隆するように変形する。この膨隆により生じた第2のシート部材5と第1のシート部材3との間の変形応力差により屈曲が生じる。この屈曲を利用することにより、マイクロバルブ1の開閉を行わせることができる。従って、図4Aに示されるように、加圧空気を送り込まないと、マイクロバルブ1はマイクロチャネル26を閉状態に維持し、図4Bに示されるように、加圧空気を送り込むと、マイクロバルブ1はマイクロチャネル26を開状態にする。加圧空気の送入を停止し、大気圧に戻せば、マイクロバルブ1は再び図4Aの状態に復元する。このように、加圧空気の送入・停止により、マイクロバルブ1が屈曲してマイクロチャネル26を開閉することができる。   FIG. 4B is a partial schematic cross-sectional view showing the operating state of the microvalve 1. When pressurized air is sent from the through hole 13 of the adapter 11 to the recess 7 through the air flow path 9, the thin second sheet member 5 bulges like a balloon, and then the thick first sheet member 3 also Deforms to slightly bulge. Bending occurs due to the deformation stress difference between the second sheet member 5 and the first sheet member 3 caused by the swelling. By utilizing this bending, the microvalve 1 can be opened and closed. Therefore, as shown in FIG. 4A, when pressurized air is not sent, the microvalve 1 maintains the microchannel 26 in a closed state, and when pressurized air is fed as shown in FIG. 4B, the microvalve 1 Opens the microchannel 26. If the supply of pressurized air is stopped and the pressure is returned to atmospheric pressure, the microvalve 1 is restored to the state shown in FIG. 4A again. In this way, the microvalve 1 can be bent and the microchannel 26 can be opened and closed by feeding and stopping the pressurized air.

図4Aでは、マイクロバルブ1は上面基板22側からマイクロチャネル26に垂直に挿入されているが、下面基板24側からマイクロチャネル26に垂直に挿入することもできる。別法として、マイクロバルブ1はマイクロチャネル26に水平に挿入することもできる。   In FIG. 4A, the microvalve 1 is inserted vertically into the microchannel 26 from the upper substrate 22 side, but can also be inserted vertically into the microchannel 26 from the lower substrate 24 side. Alternatively, the microvalve 1 can be inserted horizontally into the microchannel 26.

図5は本発明のマイクロバルブの別の実施態様の概要平面図である。凹部が矩形状ではなく、円形であり、しかも、複数個の円形凹部7−1,7−2が空気流路9で連結されている。このようなマイクロバルブ1Aは複数個の円形凹部7−1,7−2周辺の変形応力差が錯綜することにより、指の関節のように部分的に異なる屈曲を起こすことができる。これにより、複数本のマイクロチャネルを一つのマイクロバルブで開閉することも可能となる。   FIG. 5 is a schematic plan view of another embodiment of the microvalve of the present invention. The recess is not rectangular but circular, and a plurality of circular recesses 7-1 and 7-2 are connected by the air flow path 9. Such a microvalve 1A can cause different bends, such as a finger joint, by combining the deformation stress differences around the plurality of circular recesses 7-1 and 7-2. As a result, a plurality of microchannels can be opened and closed with a single microvalve.

(1)マイクロバルブの作製
常用の光リソグラフィー法に従って、表面に幅約20μm、高さ約20μm、長さ約300μmの空気流路用突起と、横幅約200μm、縦幅約100μm、高さ約70μmの凹部用突起を有する4インチサイズの鋳型を作製した。この鋳型の表面をフルオロカーボン(CHF)の存在下で反応性イオンエッチングシステムにより処理し、表面にCHF剥離膜を形成した。マスターの剥離膜形成面上に、PDMSプレポリマー混合液として、米国のダウ・コーニング社製のSYLGARD 184 SILICONE ELASTOMERを厚さ鋳型にモールドし、Nスプレーで0.5mm厚付近になるまで引きのばし、加温(65℃、4時間)した。4時間経過後、オーブンから取り出し、厚さ約120μmのPDMS製の第1のシート部材を鋳型から剥離した。凹部の底面厚さは約50μmであった。厚さ約20μmのPDMS製の第2のシート部材を準備した。第2のシート部材の適所には予め貫通孔を穿設しておいた。常法に従って両シートを表面改質した後、第2のシート部材の貫通孔を第1のシート部材の空気流路の端部と位置合わせしてから、第1のシート部材の上面に第2のシート部材を恒久接着させた。その後、予め作製しておいたアダプタを、アダプタの貫通孔と第2のシート部材の貫通孔を位置合わせした両部材を恒久接着させた。
(2)マイクロバルブ実装マイクロチップの作製
幅約200μm、高さ約400μmのマイクロチャネルと、このチャネルの両端に内径約2mmの開口ポートを有するマイクロチップを常法に従って作製した。上面基板の外表面側から貫通孔を穿設し、この貫通孔から前記(1)で作製されたマイクロバルブを挿入した。マイクロバルブと貫通孔との外部界面にエポキシ樹脂接着剤を塗布し、貫通孔を封止し、図4Aに示されるようなマイクロバルブ実装マイクロチップを作製した。
(2)送液確認試験
前記(2)で作製されたマイクロチップのマイクロバルブのアダプタに空気圧印加用のチューブを接続した。一方のポートから赤色に着色された精製水を強制注入したところ、マイクロバルブのところで遮断された。マイクロバルブのアダプタに接続されたチューブから加圧空気を送入すると、マイクロバルブが徐々に屈曲を始め、約100kPaの印加圧力でマイクロバルブ底部とマイクロチャネル底部との間に隙間が生じ、この隙間を通して着色液が他方のポートに押し出されてきた。マイクロバルブの印加圧力を大気圧に戻すと着色液は他方のポートへは押し出されて来なくなった。
(1) Fabrication of microvalve According to a conventional optical lithography method, the air channel protrusion having a width of about 20 μm, a height of about 20 μm and a length of about 300 μm, a lateral width of about 200 μm, a vertical width of about 100 μm, and a height of about 70 μm. A 4 inch-size mold having a concave projection was prepared. The surface of this mold was treated with a reactive ion etching system in the presence of fluorocarbon (CHF 3 ) to form a CHF 3 release film on the surface. SYLGARD 184 SILICONE ELASTOMER, manufactured by Dow Corning, USA, is molded as a PDMS prepolymer mixture on the master's release film forming surface in a thick mold, and stretched to a thickness of about 0.5 mm with N 2 spray. , Warmed (65 ° C., 4 hours). After 4 hours, the first sheet member made of PDMS having a thickness of about 120 μm was peeled from the mold. The bottom surface thickness of the recess was about 50 μm. A second sheet member made of PDMS having a thickness of about 20 μm was prepared. A through hole was previously drilled at an appropriate position of the second sheet member. After surface modification of both sheets in accordance with a conventional method, the through hole of the second sheet member is aligned with the end of the air flow path of the first sheet member, and then the second sheet is formed on the upper surface of the first sheet member. The sheet member was permanently bonded. Thereafter, the adapter prepared in advance was permanently bonded to both members in which the through hole of the adapter and the through hole of the second sheet member were aligned.
(2) Production of microvalve-mounted microchip A microchip having a width of about 200 μm and a height of about 400 μm and an open port with an inner diameter of about 2 mm at both ends of the channel was produced according to a conventional method. A through hole was drilled from the outer surface side of the upper substrate, and the microvalve produced in (1) was inserted through this through hole. An epoxy resin adhesive was applied to the external interface between the microvalve and the through hole, the through hole was sealed, and a microvalve-mounted microchip as shown in FIG. 4A was produced.
(2) Liquid feeding confirmation test A tube for applying air pressure was connected to the adapter of the microvalve of the microchip manufactured in (2). When purified water colored in red was forcibly injected from one port, it was blocked at the microvalve. When pressurized air is sent from a tube connected to the adapter of the microvalve, the microvalve gradually begins to bend, and a gap is created between the bottom of the microvalve and the bottom of the microchannel with an applied pressure of about 100 kPa. The colored liquid has been pushed out to the other port. When the pressure applied to the microvalve was returned to atmospheric pressure, the colored liquid was not pushed out to the other port.

本発明のマイクロバルブを利用したマイクロチップは医学、獣医学、歯科学、薬学、生命科学、食品、農業、水産など様々な分野で活用できる。特に、蛍光抗体法、in situ Hibridization等に最適なマイクロチップとして、免疫疾患検査、細胞培養、ウィルス固定、病理検査、細胞診、生検組織診、血液検査、細菌検査、タンパク質分析、DNA分析、RNA分析などの広範な領域で使用できる。   The microchip using the microvalve of the present invention can be used in various fields such as medicine, veterinary medicine, dentistry, pharmacy, life science, food, agriculture, and fisheries. In particular, as an optimal microchip for fluorescent antibody method, in situ hybridization, etc., immunological disease test, cell culture, virus fixation, pathological test, cytology, biopsy histology, blood test, bacterial test, protein analysis, DNA analysis, It can be used in a wide range of areas such as RNA analysis.

本発明のマイクロバルブの一例の概要平面図である。It is an outline top view of an example of a microvalve of the present invention. 図1におけるII-II線に沿った断面図である。It is sectional drawing along the II-II line in FIG. 図1に示されるマイクロバルブの駆動状態を示す概要断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the drive state of the microvalve shown by FIG. 本発明のマイクロバルブ1を実装したマイクロチップ20の一例の部分概要断面図である。It is a partial outline sectional view of an example of microchip 20 which mounts microvalve 1 of the present invention. 図4Aに示されたマイクロバルブ1の作動状態を示す部分概要断面図である。FIG. 4B is a partial schematic cross-sectional view showing an operating state of the microvalve 1 shown in FIG. 4A. 本発明のマイクロバルブの別の実施態様の概要平面図である。It is a general | schematic top view of another embodiment of the microvalve of this invention. 従来のマイクロチップの一例の概要平面図である。It is a general | schematic top view of an example of the conventional microchip. 図6AにおけるB−B線に沿った概要断面図である。It is a schematic sectional drawing in alignment with the BB line in FIG. 6A.

符号の説明Explanation of symbols

1 本発明のマイクロバルブ
3 第1のシート部材
5 第2のシート部材
7 凹部
9 空気流路
11 アダプタ
13 貫通孔
20 マイクロチップ
22 上面基板
24 下面基板
26 マイクロチャネル
100 従来のマイクロチップ
102 上面基板
104 マイクロチャネル
106 ポート
108 下面基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Micro valve of this invention 3 1st sheet | seat member 5 2nd sheet | seat member 7 Recessed part 9 Air flow path 11 Adapter 13 Through-hole 20 Microchip 22 Upper surface substrate 24 Lower surface substrate 26 Microchannel 100 Conventional microchip 102 Upper surface substrate 104 Micro channel 106 Port 108 Bottom substrate

Claims (3)

上面基板と下面基板とからなり、両基板の間に配設された1本以上のマイクロチャネルを有するマイクロチップにおいて、
前記マイクロチャネルの適所に1本以上のマイクロバルブが挿入されており、
該マイクロバルブは厚さの異なる2枚のシート部材からなり、厚さの厚いシート部材には1個以上の凹部と、該凹部に連通する空気流路が配設されており、厚さの薄いシート部材は、前記厚さの厚いシート部材の前記溝及び凹部を遮蔽するように前記厚さの厚いシート部材の表面に接着されており、
前記薄いシート部材の厚さ(T)対前記凹部の底部厚さ(T)の比(T:T)が1:2〜1:10の範囲内であり、
前記凹部の深さ(D)は前記凹部の底部厚さ(T)の1.3倍〜5倍の範囲内であることを特徴とするマイクロチップ。
In a microchip comprising an upper substrate and a lower substrate and having one or more microchannels disposed between the substrates,
One or more microvalves are inserted in place in the microchannel,
The microvalve is composed of two sheet members having different thicknesses, and the thick sheet member is provided with one or more recesses and an air flow path communicating with the recesses, and is thin. The sheet member is bonded to the surface of the thick sheet member so as to shield the groove and the recess of the thick sheet member,
The ratio (T 1 : T 2 ) of the thickness (T 1 ) of the thin sheet member to the bottom thickness (T 2 ) of the recess is in the range of 1: 2 to 1:10;
The depth (D) of the recess is in the range of 1.3 to 5 times the bottom thickness (T 2 ) of the recess.
前記厚いシート部材及び薄いシート部材がいずれもポリジメチルシロキサン(PDMS)からなるシリコーンゴム製であることを特徴とする請求項1のマイクロチップ。 2. The microchip according to claim 1, wherein both the thick sheet member and the thin sheet member are made of silicone rubber made of polydimethylsiloxane (PDMS). 前記マイクロバルブが、前記空気流路に連通する貫通孔を有するアダプタを更に有することを特徴とする請求項1のマイクロチップ。 The microchip according to claim 1, wherein the microvalve further includes an adapter having a through hole communicating with the air flow path.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011033144A (en) * 2009-08-03 2011-02-17 Ricoh Co Ltd Microvalve and method of manufacturing the same
WO2022242549A1 (en) * 2021-05-16 2022-11-24 深圳市品学优技术有限公司 Reaction device and reaction driving device

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