JP2008036628A - 弁閉鎖ユニット及びそれを備えた反応装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】弁閉鎖ユニット及びそれを備えた反応装置を提供する。
【解決手段】常温で固体の相転移物質及び相転移物質内に分散され、外部からの電磁波の照射による電磁気波エネルギーを吸収して発熱する複数の微細発熱粒子を含んでなる充填物が充填された充填物チャンバと、充填物チャンバとチャンネルを連結する連結通路と、充填物に電磁波を照射するための外部エネルギー源と、を備えており、外部エネルギー源からの電磁波の照射によって発熱した複数の微細発熱粒子は、相転移物質を溶融及び膨脹させることによって充填物を膨張させ、膨張した充填物は、連結通路を通ってチャンネルに流入してチャンネルを閉鎖することを特徴とする弁閉鎖ユニット及びそれを備えた反応装置である。
【選択図】図２

Description

本発明は、流体の流動を遮断するためのチャンネルを適時閉鎖することができる弁閉鎖ユニット及びそれを備えた反応装置に関する。
例えば、リシス反応（Ｌｙｓｉｓ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）、ＰＣＲ反応（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）のような生化学反応に使われる基板（言い換えれば、チップ）には、流体の流路となるマイクロチャンネルが形成されている。生化学反応中に流体の蒸発や流動を防止するために、前記マイクロチャンネルは、適時閉鎖されねばならず、このために弁閉鎖ユニットが設けられる。
図１は、従来の弁閉鎖ユニットの一例を示す平面図であって、非特許文献１において公知にされたものである。
図１を参照すれば、従来の弁閉鎖ユニット１０は、基板１１に形成されたチャンネル１２と、前記チャンネル１２に連結されるエアポンプ１５と、前記エアポンプ１５とチャンネル１２の連結通路１６に設けられたパラフィンワックスＰと、を備えている。また、前記エアポンプ１５とパラフィンワックスＰを加熱するために基板１１に装着され加熱板２０を備えている。パラフィンワックスＰは、前記加熱板２０の発熱によって溶融して流動可能になると、エアポンプ１５内部の空気膨脹によってチャンネル１２側に押され、二点鎖線で図示されたようにチャンネル１２を閉鎖する。一方、反応チャンバ１３は、流体の生化学反応が主に発生する場所である。
しかし、前記従来の弁閉鎖ユニット１０は、エアポンプ１５と加熱板２０が基板１１に設けられるので、基板１１を小型化及び集積化するのが困難であるという問題点がある。また、加熱によってパラフィンワックスＰがチャンネル１２に移動した後に再び凝固してチャンネル１２を閉鎖するまでは長時間かかるため、チャンネル１２を閉鎖するタイミングを精密に制御することが困難であるという問題点もある。
「Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｖｏｌ．７６」、２００４年発行、ｐ．１８２４〜１８３１
本発明は、前記問題点を解決するためのものであり、生化学反応用の基板の小型化及び集積化が容易になるように改善された弁閉鎖ユニット及びそれを備えた反応装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、レーザのような電磁波の照射によってチャンネル閉鎖が誘発される弁閉鎖ユニット及びそれを備えた反応装置を提供することを目的とする。
前記目的を達成するために本発明は、常温で固体の相転移物質、及び前記相転移物質内に分散され、外部からの電磁波の照射による電磁気波のエネルギーを吸収して発熱する複数の微細発熱粒子を含んでなる充填物が充填された充填物チャンバと、前記充填物チャンバと流体の流路となるチャンネルを連結するための連結通路と、を備えており、電磁波エネルギーを吸収して発熱された前記複数の微細発熱粒子は、電磁波のエネルギーを吸収して発熱すると、前記相転移物質を溶融及び膨脹させることにより前記充填物を膨張させ、膨張した前記充填物は、前記連結通路を通って前記チャンネルに流入することにより前記チャンネルを閉鎖することを特徴とする弁閉鎖ユニット及びそれを備えた反応装置を提供する。
望ましくは、前記弁閉鎖ユニットは、前記充填物に電磁波を照射するための外部エネルギー源をさらに含みうる。
望ましくは、前記外部エネルギー源は、レーザを照射するレーザ光源を含みうる。
望ましくは、前記レーザ光源は、レーザダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）を含みうる。
望ましくは、前記レーザ光源から照射されるレーザは、少なくとも１ｍＪ／パルスのエネルギーを有するパルス電磁波でありうる。
望ましくは、前記レーザ光源から照射されるレーザは、少なくとも１０ｍＷの出力を有する連続的な電磁波でありうる。
望ましくは、前記レーザ光源から照射されるレーザの波長は、７５０〜１３００ｎｍの範囲でありうる。
望ましくは、前記微細発熱粒子の直径は、１ｎｍ〜１００μｍの範囲内でありうる。
望ましくは、前記微細発熱粒子は、疎水性キャリアオイル内に分散されうる。
望ましくは、前記微細発熱粒子は、強磁性物質または金属酸化物を成分として含みうる。
望ましくは、前記金属酸化物は、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４及び、ＨｆＯ２からなる群から選択される少なくとも一種を含みうる。
望ましくは、前記微細発熱粒子は、重合体粒子、量子ドット及び磁性ビーズからなる群から選択される少なくとも一種の粒子形態を有しうる。
望ましくは、前記磁性ビーズは、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ及び、これらの酸化物からなる群から選択される少なくとも一種を成分として含みうる。
望ましくは、前記相転移物質は、ワックス、ゲル、熱可塑性樹脂からなる群から選択される少なくとも一種でありうる。
望ましくは、前記ワックスは、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、合成ワックス、及び天然ワックスからなる群から選択される少なくとも一種でありうる。
望ましくは、前記ゲルは、ポリアクリルアミド、ポリアクリレート、ポリメタクリレート及び、ポリビニルアミドからなる群から選択される少なくとも一つでありうる。
望ましくは、前記熱可塑性樹脂は、ＣＯＣ、ＰＭＭＡ、ＰＣ、ＰＳ、ＰＯＭ、ＰＦＡ、ＰＶＣ、ＰＰ、ＰＥＴ、ＰＥＥＫ、ＰＡ、ＰＳＵ及び、ＰＶＤＦからなる群から選択される少なくとも一種でありうる。
望ましくは、前記弁閉鎖ユニットの前記連結通路上には、前記充填物の前記チャンネルへの流入を抑制するためのバッファチャンバをさらに備えうる。
望ましくは、前記充填物チャンバ及び前記連結通路は、反応チャンバの一側に連結される流体チャンネルと、他側に連結される流体チャンネルをそれぞれ閉鎖するために、一対ずつ備えられうる。
望ましくは、前記基板は、相互にボンディングされた下部プレート及び上部プレートから形成されうる。
望ましくは、前記下部プレートと上部プレートは、接着剤または超音波融着によってボンディングされうる。
望ましくは、前記流体チャンネル、反応チャンバ、充填物チャンバ、及び連結通路は、前記下部プレート及び上部プレートのどちらか一方に形成されうる。
望ましくは、前記基板には、前記流体チャンネルに流体を注入するための流体ホールと、前記充填物チャンバに充填物を注入するための充填物ホールが形成されうる。
望ましくは、前記基板の少なくとも一部分は、電磁波が透過できるように透明でありうる。
また、本発明は、常温で固体の相転移物質を含んでなる充填物が充填された充填物チャンバと、前記充填物チャンバとチャンネルを連結するための連結通路と、を備えており、前記相転移物質は、電磁波のエネルギーを吸収して溶融すると、前記充填物を前記連結通路を通って前記チャンネルに流入させることにより前記チャンネルを閉鎖することを特徴とする弁閉鎖ユニット及びそれを備えた反応装置を提供する。
望ましくは、前記弁閉鎖ユニットは、前記充填物に電磁波を照射するための外部エネルギー源をさらに含みうる。
本発明によれば、従来技術とは異なり、生化学反応用基板にはエアポンプも加熱板も含まれていないので、生化学反応用基板の小型化及び集積化が容易になる。
また、レーザのような電磁波の照射によってチャンネル閉鎖が誘発されるので、迅速なチャンネル閉鎖が可能となり、チャンネル閉鎖タイミングの精密な制御を容易になる。
以下、添付された図面を参照して、本発明の望ましい実施形態による弁閉鎖ユニット及びそれを備えた反応装置を詳細に説明する。
図２は、本発明の第１実施形態による弁閉鎖ユニット及びそれを備えた反応装置を示す斜視図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
図２及び図３を参照すれば、本発明の反応装置１００Ａは、生化学反応用の流体の流路となる流体チャンネル１１１、及び前記流体チャンネル１１１上の反応チャンバ１１３が形成された基板１０１と、前記流体チャンネル１１１を適時閉鎖するための弁閉鎖ユニット１１０Ａとを備えている。前記反応チャンバ１１３は流体の生化学反応が主に発生する場所であり、そこで生化学反応を観察できる。
前記基板１０１は、接着剤によって相互にボンディングされた下部プレート１０２と上部プレート１０５とで形成されている。前記下部プレート１０２には、前記流体チャンネル１１１と反応チャンバ１１３が形成される。前記上部プレート１０５には、前記流体チャンネル１１１に流体を注入するための流体ホール１１５，１１６と、流体チャンネル１１１及び反応チャンバ１１３内でのバブルの発生を防止するためのベントホール１１７，１１８とが形成される。
接着剤チャンネル１３１は、接着剤Ａの流路となるチャンネルであって、下部プレート１０２に形成される。前記上部プレート１０５には、前記接着剤チャンネル１３１に接着剤Ａを注入するための接着剤ホール１３２，１３３が形成されている。前記接着剤ホール１３２，１３３の片方に接着剤Ａを注入すると、もう片方の接着剤ホールから空気が排出さると同時に、接着剤Ａが接着剤チャンネル１３１内に注入される。一定時間経過後に接着剤Ａが硬化すると、下部及び上部プレート１０２，１０５が互いに接着される。接着剤チャンネル１３４、１４１及び１４６も、接着剤Ａの流路となるチャンネルであって下部プレート１０２に形成される。接着剤ホール１３５及び１３６は、接着剤チャンネル１３４に接着剤Ａを注入するためのホールであり、接着剤ホール１４２、１４３及び１４４は、接着剤チャンネル１４１に接着剤Ａを注入するためのホールであり、接着剤ホール１４７、１４８及び１４９は、接着剤チャンネル１４６に接着剤を注入するためのホールである。
前記弁閉鎖ユニット１１０Ａは、第１及び第２充填物チャンバ１２０Ａ，１２５Ａと、第１及び第２連結通路１２２Ａ，１２７Ａと、前記第１及び第２充填物チャンバ１２０Ａ，１２５Ａに電磁波を照射するための外部エネルギー源の一例としてのレーザ光源１５０とを備えている。前記充填物チャンバ１２０Ａ，１２５Ａは、基板１０１の下部プレート１０２に形成されており、その内部には弁を閉鎖するための充填物Ｍが充填されている。前記上部プレート１０５には、前記充填物チャンバ１２０Ａ，１２５Ａに充填物Ｍを注入するための第１及び第２充填物ホール１２１Ａ，１２６Ａがそれぞれ形成されている。
前記第１連結通路１２２Ａは、第１充填物チャンバ１２０Ａと流体チャンネル１１１を連結するためのものであり、第２連結通路１２７Ａは、第２充填物チャンバ１２５Ａと流体チャンネル１１１を連結するためものであり、これらはいずれも基板１０１の下部プレート１０２に形成される。前記第１充填物チャンバ１２０Ａ及び第１連結通路１２２Ａは、反応チャンバ１１３の一側に連結される流体チャンネルを閉鎖するために設けられており、前記第２充填物チャンバ１２５Ａ及び第２連結通路１２７Ａは、反応チャンバ１１３の他側に連結される流体チャンネルを閉鎖するために設けられている。
基板１０１の上方のレーザ光源１５０から照射されたレーザが第１充填物チャンバ１２０Ａまたは第２充填物チャンバ１２５Ａを透過するためには、上部プレート１０５の全面、または少なくとも第１充填物チャンバ１２０Ａ及び第２充填物チャンバ１２５Ａに対応する部分は透明でなければならない。したがって、上部プレート１０５は、ガラスまたは透明なプラスチックで形成されることが望ましい。前記下部プレート１０２も上部プレート１０５と同じ材質で形成されうる。一方、下部プレート１０２が、熱伝導性に比較的優れたシリコン（Ｓｉ）材質で形成されれば、ＰＣＲのようにサーマルサイクリングが要求される反応を迅速かつ確実に行えるようになる。
前記充填物Ｍは、常温で固体の相転移物質と、前記相転移物質内に均一に分散された複数の微細発熱粒子とを含んでなる。前記相転移物質としては、例えばワックスが採用されうる。前記ワックスは、加熱されると溶融して液体状態に変化し、その体積が膨脹する。前記ワックスとしては、例えば、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、合成ワックス、または天然ワックスが採用されうる。
一方、前記相転移物質は、ゲルまたは熱可塑性樹脂でもありうる。前記ゲルとしては、ポリアクリルアミド、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、またはポリビニルアミドが採用されうる。また、前記熱可塑性樹脂としては、ＣＯＣ（Ｃｙｃｌｉｃ Ｏｌｅｆｉｎ Ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）、ＰＭＭＡ（Ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ （ａｃｒｙｌｉｃ））、ＰＣ（Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ＰＳ（Ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ）、ＰＯＭ（Ｐｏｌｙａｃｅｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ）、ＰＦＡ（Ｐｅｒｆｌｕｏｒｏａｌｋｏｘｙ）、ＰＶＣ（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｃｈｌｏｒｉｄｅ）、ＰＰ（Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）、ＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＰＥＥＫ（Ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ）、ＰＡ（Ｐｏｌｙａｍｉｄｅ）、ＰＳＵ（Ｐｏｌｙｓｕｌｆｏｎｅ）、またはＰＶＤＦ（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ Ｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ）が採用されうる。
前記微細発熱粒子は、幅が数千μｍの連結通路第１及び第２連結通路１２２Ａ，１２７Ａを自由に通過できるように直径が１ｎｍ〜１００μｍの範囲内とされる。前記微細発熱粒子は、例えば、レーザのような電磁波が照射されるとその輻射エネルギーによって発熱して温度が急上昇する性質を有する。また、前記微細発熱粒子は、ワックス内に均一に分散される性質を有する。このような性質を有するために前記微細発熱粒子は、金属成分を含むコアと、疎水性の表面構造とを有しうる。例えば、前記微細発熱粒子は、Ｆｅからなるコアと、前記Ｆｅを包み込むように前記Ｆｅに結合された複数の界面活性成分を含む表面構造とを有しうる。
通常、前記微細発熱粒子は、キャリアオイル内に分散された状態で保管される。疎水性の表面構造を有する前記微細発熱粒子が均一に分散されるように、キャリアオイルも疎水性であることが望ましい。ワックスに前記微細発熱粒子が分散されたキャリアオイルを注いで混合することによって充填物Ｍを製造しうる。前記微細発熱粒子の粒子形態は、一例として重合体の形態でありうるが、必ずしもこれに限定されず、量子ドットまたは磁性ビーズの形態であってもよい。
図４は、純粋なパラフィンワックスと、レーザ照射によって発熱する微細発熱粒子が含まれたパラフィンワックスのそれぞれにレーザを照射した場合の融点到達時間を示したグラフである。
図４を参照すれば、実線で示されたグラフが純粋（純度１００％）なパラフィンワックスの温度を示すグラフであり、点線で示されたグラフが平均直径１０ｎｍの微細発熱粒子が分散されたキャリアオイルとパラフィンワックスとが１対１の割合で混合された５０％不純物（微細発熱粒子）のパラフィンワックスの温度を示すグラフであり、二点鎖線で示されたグラフは、平均直径１０ｎｍの微細発熱粒子が分散されたキャリアオイルとパラフィンワックスとが１：４の割合で混合された２０％不純物（微細発熱粒子）のパラフィンワックスの温度を示すグラフである。８０８ｎｍの波長を有するレーザが実験に使われた。パラフィンワックスの融点は、約６８〜７４℃である。図４を参照すれば、純粋なパラフィンワックスは、レーザ照射後に２０秒以上経過して初めて融点に到達する（（ｉｉ）参照）。一方、５０％不純物（微細発熱粒子）のパラフィンワックス及び２０％不純物（微細発熱粒子）のパラフィンワックスは、レーザ照射後に急速に加熱され、約５秒後に融点に到達することが確認できる（（ｉ）参照）。
図２及び図３を再び参照すれば、微細発熱粒子は、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、またはこれらの酸化物のような強磁性物質を成分として含みうる。また、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４または、ＨｆＯ２などの金属酸化物を成分として含んでもよい。このように微細発熱粒子に強磁性物質が含まれている場合、微細発熱粒子の位置は、磁石を利用して容易に調整されうる。したがって、充填物ホール１２１Ａ，１２６Ａに充填物Ｍを注入した後、基板１０１の外部から磁石を利用して前記充填物Ｍを流体チャンネル１１１の閉鎖にさらに適した位置に移動させることができる。
前記レーザ光源１５０はＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）を備えうる。レーザ光源１５０としては、パルスレーザ照射の場合には少なくとも１ｍＪ／パルスのエネルギーを有するパルスレーザを照射可能であり、連続的なレーザ照射の場合には少なくとも１０ｍＷの出力を有する連続的なレーザを照射可能であるレーザ光源ならば、いかなるものであっても採用されうる。図２及び図３に示されてはいないが、前記反応装置１００Ａは、図示されたレーザ光源１５０以外に第２充填物チャンバ１２５Ａに向けてレーザを照射する他のレーザ光源をさらに備えていてもよく、図示されたレーザ光源１５０の光路をそれが第２充填物チャンバ１２５Ａに向かうように変更する光路変更手段（例えば、一つ以上のミラー）をさらに備えてもよい。
本発明の発明者は、前記弁閉鎖ユニット１１０Ａの動作を確認するための試験を実施した。図５Ａ、図５Ｂ及び、図５Ｃは、その結果を時系列に示す写真である。
図５Ａを参照すれば、第１充填物チャンバ１２０Ａ及び第２充填物チャンバ１２５Ａには、黒色の充填物Ｍが注入されている。前記充填物Ｍは、平均直径１０ｎｍの微細発熱粒子が分散されたキャリアオイルとパラフィンワックスとが１：１の割合で混合された５０％不純物（微細発熱粒子）のパラフィンワックスである。図５Ｂを参照すれば、前記第１充填物チャンバ１２０Ａに１．５Ｗ出力の連続波動レーザを照射すると、前記第１充填物チャンバ１２０Ａ内部の充填物Ｍは、急速に加熱されて爆発的に膨脹し、第１連結通路１２２Ａを通過して流体チャンネル１１１に流入する。流体チャンネル１１１に流入した充填物Ｍは、レーザ照射が中断されると急速に冷却されて固化し、それによって反応チャンバ１１３の一側の流体チャンネル１１１を閉鎖する。
図５Ｃを参照すれば、前記第２充填物チャンバ１２５Ａに出力１．５Ｗの連続的なレーザを照射すれと、前記第２充填物チャンバ１２５Ａの内部の充填物Ｍは、急速に加熱されて爆発的に膨脹し、第２連結通路１２７Ａを通過して流体チャンネル１１１に流入する。流体チャンネル１１１に流入した充填物Ｍは、レーザ照射の中断により急速に冷却されて固化し、反応チャンバ１１３の他側の流体チャンネル１１１を閉鎖する。流体チャンネル１１１の閉鎖後に反応チャンバ１１３の内部の緑色流体にレーザを４０秒間照射してリシス反応を誘導することによって、閉鎖された流体チャンネル１１１への漏れを確認したところ、漏れは確認されなかった。
図６は、本発明の第２実施形態による弁閉鎖ユニット及びそれを備えた反応装置を示す斜視図であり、図７は、本発明の第３実施形態による弁閉鎖ユニット及びそれを備えた反応装置を示す斜視図である。本発明の第２及び第３実施形態による弁閉鎖ユニット１１０Ｂ，１１０Ｃと反応装置１００Ｂ，１００Ｃとは、図２及び図３に示された第１実施形態による弁閉鎖ユニット１１０Ａ及び、反応装置１００Ａと類似している。したがって、以下では、前記第１実施形態と異なる点を中心に第２実施形態及び第３実施形態を説明する。
図６を参照すれば、本発明の第２実施形態による反応装置１００Ｂは、生化学反応用の流体の流路となる流体チャンネル１１１及び前記流体チャンネル１１１上の反応チャンバ１１３が形成された基板１０１と、前記流体チャンネル１１１を適時閉鎖するための弁閉鎖ユニット１１０Ｂとを備えている。前記基板１０１は、接着剤によって相互にボンディングされた下部プレート１０２と上部プレート１０５とで形成されている。
前記下部プレート１０２には、前記流体チャンネル１１１と反応チャンバ１１３が形成されており、前記上部プレート１０５には、前記流体チャンネル１１１に流体を注入するための流体ホール１１５，１１６と、流体チャンネル１１１及び反応チャンバ１１３内でのバブルの生成を防止するためのベントホール１１７，１１８が形成される。接着剤チャンネル１３１、１３４、１４１及び１４６は、接着剤の流路となるチャンネルであって、下部プレート１０２に形成されており、これらに接着剤を注入するための接着剤ホール１３２、１３３、１３５、１３６、１４２、１４３、１４４、１４７、１４８及び１４９は、上部プレート１０５に形成されている。
一方、図７を参照すれば、本発明の第３実施形態による反応装置１００Ｃにおいて、下部プレート１０２と上部プレート１０５は、超音波融着によって相互にボンディングされる。したがって、前記反応装置１００Ｃの基板１０１には、接着剤の流路となる接着剤チャンネルと接着剤を注入するための接着剤ホールとが備えられていない。
また、図６を参照すれば、弁閉鎖ユニット１１０Ｂは、第１及び第２充填物チャンバ１２０Ｂ，１２５Ｂと、第１及び第２連結通路１２２Ｂ，１２７Ｂと、第１及び第２バッファチャンバ１２３Ｂ，１２８Ｂと、レーザ光源１５０とを備えている。前記充填物チャンバ１２０Ｂ，１２５Ｂは、下部プレート１０２に形成されており、その内部には充填物Ｍ（図３を参照）が充填されている。前記上部プレート１０５には、前記充填物チャンバ１２０Ｂ，１２５Ｂに充填物Ｍを注入するための充填物ホール１２１Ｂ，１２６Ｂがそれぞれ形成されている。
前記第１連結通路１２２Ｂは、第１充填物チャンバ１２０Ｂと流体チャンネル１１１を連結するためのものであり、第２連結通路１２７Ｂは、第２充填物チャンバ１２５Ｂと流体チャンネル１１１を連結するためのものであり、それぞれ下部プレート１０２に形成されている。前記第１バッファチャンバ１２３Ｂは、第１充填物チャンバ１２０Ｂと流体チャンネル１１１の間の第１連結通路１２２Ｂ上に設けられており、第２バッファチャンバ１２８Ｂは、第２充填物チャンバ１２５Ｂと流体チャンネル１１１の間の第２連結通路１２７Ｂ上に設けられている。前記第１及び第２バッファチャンバ１２３Ｂ，１２８Ｂは、下部プレート１０２に形成されており、上部プレート１０５の第１及び第２バッファチャンバ１２３Ｂ，１２８Ｂに対応する部分には、空気排出のためのベントホール１２４Ｂ，１２９Ｂが形成されている。前記バッファチャンバ１２３Ｂ，１２８Ｂは、第１及び第２充填物チャンバ１２０Ｂ，１２５Ｂに注入される充填物Ｍの注入量の許容誤差を拡大し、基板１０１の保管または運搬中における充填物Ｍの流体チャンネル１１１への流入を抑制して、基板１０１の不良を防止する効果がある。
前記第１充填物チャンバ１２０Ｂ、第１バッファチャンバ１２３Ｂ及び第１連結通路１２２Ｂは、反応チャンバ１１３の一側に連結される流体チャンネル１１１を閉鎖するためのものであり、前記第２充填物チャンバ１２５Ｂ、第２バッファチャンバ１２８Ｂ及び第２連結通路１２７Ｂは、反応チャンバ１１３の他側に連結される流体チャンネル１１１を閉鎖するためのものである。一方、充填物Ｍ及びレーザ光源１５０には、本願発明の第１実施形態による弁閉鎖ユニット１１０Ａについての説明で詳細に言及したので、ここでその説明を省略する。
前記反応装置１００Ｂは、前記基板１０１を支持し、矢印Ｒ方向に高速回転するターンテーブル１６０をさらに備える。前記ターンテーブル１６０に支持されて回転する基板１０１には、矢印Ｃ方向に遠心力が作用し、この遠心力によって第１及び第２充填物チャンバ１２０Ｂ，１２５Ｂに充填された充填物Ｍは流体チャンネル１１１に向かって移動される。前記ターンテーブル１６０は、基板１０１を高速回転させる回転手段の一例であって、前記回転手段は、図示されたターンテーブル１６０に限定されない。
一方、図７を再び参照すれば、本発明の第３実施形態による反応装置１００Ｃに備えられた第１及び第２弁閉鎖ユニット１１０Ｃ，１１０Ｃ´も、第１及び第２充填物チャンバ１２０Ｃ，１２５Ｃと、第１及び第２連結通路１２２Ｃ，１２７Ｃと、第１及び第２バッファチャンバ１２３Ｃ，１２８Ｃと、レーザ光源１５０と、を備えている。第１及び第２充填物ホール１２１Ｃ，１２６Ｃは、第１及び第２充填物チャンバ１２０Ｃ，１２５Ｃに充填物Ｍ（図３を参照）を注入するためのホールであり、第１及び第２ベントホール１２４Ｃ，１２９Ｃは、空気排出ためのホールである。
前記第１充填物チャンバ１２０Ｃ、第１バッファチャンバ１２３Ｃ及び第１連結通路１２２Ｃは、反応チャンバ１１３の一側に連結される流体チャンネル１１１を閉鎖するためのものであり、前記第２充填物チャンバ１２５Ｃ、第２バッファチャンバ１２８Ｃ及び第２連結通路１２７Ｃは、反応チャンバ１１３の他側に連結される流体チャンネル１１１を閉鎖するためのものである。前記反応装置１００Ｃも、前記基板１０１を支持し、矢印Ｒ方向に高速回転するターンテーブル１６０をさらに備える。
本発明の発明者は、本発明の第２実施形態による弁閉鎖ユニット１１０Ｂの動作を確認するための試験を実施した。図８Ａないし図８Ｄは、その結果を順次に示された写真である。
図８Ａを参照すれば、第１充填物チャンバ１２０Ｂと第２充填物チャンバ１２５Ｂには、黒色の充填物Ｍが注入されている。前記充填物Ｍは、平均直径１０ｎｍの微細発熱粒子が分散されたキャリアオイルとパラフィンワックスが１：１の割合で混合された５０％不純物（微細発熱粒子）のパラフィンワックスである。前記第１充填物チャンバ１２０Ｂに１．５Ｗ出力の連続的なレーザを１秒間照射し、基板１０１（図６を参照）を３０００ｒｐｍの角速度で数秒間回転させると、第１充填物チャンバ１２０Ｂ内の充填物Ｍが溶融・膨脹し、遠心力によって移動される。これにより、前記充填物Ｍが、図８Ａに示されたように、第１バッファチャンバ１２３Ｂを通過し、図８Ｂに示されたように、流体チャンネル１１１に流入する。流体チャンネル１１１に流入した前記充填物Ｍは、急速に冷却されて固化することによって、反応チャンバ１１３の一側の流体チャンネル１１１を閉鎖する。
前記第２充填物チャンバ１２５Ｂに１．５Ｗ出力の連続波動レーザを１秒間照射し、再び基板１０１（図６を参照）を３０００ｒｐｍの角速度で数秒間回転させると、第２充填物チャンバ１２５Ｂの充填物Ｍが溶融・膨脹し、遠心力によって移動される。これにより、前記充填物Ｍが、図８Ｃに示されたように第２バッファチャンバ１２８Ｂを通過し、図８Ｄに示されたように流体チャンネル１１１に流入する。流体チャンネル１１１に流入した前記充填物Ｍは、急速に冷却されて固化することによって、反応チャンバ１１３の他側の流体チャンネル１１１を閉鎖する。流体チャンネル１１１の閉鎖後に前記基板１０１を３０００ｒｐｍの角速度で再び回転させて、閉鎖された流体チャンネル１１１への漏れを調べたところ、漏れは確認されなかった。
一方、微細発熱粒子を含んでおらず相転移物質のみからなる充填物に電磁気波を照射して前記充填物を溶融させることによってチャンネルを閉鎖できるように構成された弁閉鎖ユニット及びそれを備えた反応装置も本発明に含まれる。
本発明は、図面に示した実施形態を参照して説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であることを理解できるだろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決定されなければならない。
本発明は、弁閉鎖ユニット及びそれを備えた反応装置関連の技術分野に適用可能である。
従来の弁閉鎖ユニットの一例を示す平面図である。 本発明の第１実施形態による弁閉鎖ユニットとそれを備えた反応装置とを示す斜視図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 純粋なパラフィンワックスと、レーザ照射によって発熱する微細発熱粒子が含まれたパラフィンワックスにそれぞれレーザを照射した時の融点到達時間を示したグラフである。 図２の弁閉鎖ユニットの動作を試験した結果を時系列に示す写真である。 図２の弁閉鎖ユニットの動作を試験した結果を時系列に示す写真である。 図２の弁閉鎖ユニットの動作を試験した結果を時系列に示す写真である。 本発明の第２実施形態による弁閉鎖ユニットとそれを備えた反応装置とを示す斜視図である。 本発明の第３実施形態による弁閉鎖ユニットとそれを備えた反応装置とを示す斜視図である。 図６の弁閉鎖ユニットの動作を試験した結果を時系列に示す写真である。 図６の弁閉鎖ユニットの動作を試験した結果を時系列に示す写真である。 図６の弁閉鎖ユニットの動作を試験した結果を時系列に示す写真である。 図６の弁閉鎖ユニットの動作を試験した結果を時系列に示す写真である。
符号の説明
１００Ａ 反応装置、
１０１ 基板、
１０２ 下部プレート、
１０５ 上部プレート、
１１０Ａ 弁閉鎖ユニット、
１１１ 流体チャンネル、
１１３ 反応チャンバ、
１１５ 流体ホール、
１１６ 流体ホール、
１１７ ベントホール、
１１８ ベントホール、
１２０Ａ 第１充填物チャンバ、
１２１Ａ 第１充填物ホール、
１２２Ａ 第１連絡通路、
１２５Ａ 第２充填物チャンバ、
１２６Ａ 第２充填物ホール、
１２７Ａ 第２連結通路、
１３１ 接着剤チャンネル、
１３２ 接着剤ホール、
１３３ 接着剤ホール、
１３４ 接着剤チャンネル、
１３５ 接着剤ホール、
１３６ 接着剤ホール、
１４１ 接着剤チャンネル、
１４２ 接着剤ホール、
１４３ 接着剤ホール、
１４４ 接着剤ホール、
１４６ 接着剤チャンネル
１４７ 接着剤ホール、
１４８ 接着剤ホール、
１４９ 接着剤ホール、
１５０ レーザ光源。

Claims (47)

  1. 常温で固体の相転移物質、及び前記相転移物質内に分散され、電磁波のエネルギーを吸収して発熱する複数の微細発熱粒子を含んでなる充填物が充填された充填物チャンバと、
    前記充填物チャンバと流体の流路となるチャンネルを連結するための連結通路と、を備えており、
    前記複数の微細発熱粒子は、電磁波のエネルギーを吸収して発熱すると、前記相転移物質を溶融及び膨脹させることにより前記充填物を膨張させ、
    膨張した前記充填物は、前記連結通路を通って前記チャンネルに流入することより前記チャンネルを閉鎖することを特徴とする弁閉鎖ユニット。
  2. 前記弁充填物に電磁波を照射するための外部エネルギー源をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の弁閉鎖ユニット。
  3. 前記外部エネルギー源は、レーザを照射するレーザ光源を含むことを特徴とする請求項２に記載の弁閉鎖ユニット。
  4. 前記レーザ光源は、レーザダイオードを含むことを特徴とする請求項３に記載の弁閉鎖ユニット。
  5. 前記レーザ光源から照射されるレーザは、少なくとも１ｍＪ／パルスのエネルギーを有するパルス電磁波であることを特徴とする請求項３に記載の弁閉鎖ユニット。
  6. 前記レーザ光源から照射されるレーザは、少なくとも１０ｍＷの出力を有する連続的な電磁波であることを特徴とする請求項３に記載の弁閉鎖ユニット。
  7. 前記レーザ光源から照射されるレーザの波長は、７５０〜１３００ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項３に記載の弁閉鎖ユニット。
  8. 前記微細発熱粒子の直径は、１ｎｍ〜１００μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の弁閉鎖ユニット。
  9. 前記微細発熱粒子は、疎水性のキャリアオイル内に分散されていることを特徴とする請求項８に記載の弁閉鎖ユニット。
  10. 前記微細発熱粒子は、強磁性物質または金属酸化物を成分として含むことを特徴とする請求項１に記載の弁閉鎖ユニット。
  11. 前記金属酸化物は、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４及び、ＨｆＯ２からなる群から選択される少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項１０に記載の弁閉鎖ユニット。
  12. 前記微細発熱粒子は、重合体粒子、量子ドット、及び磁性ビーズからなる群から選択される少なくとも一種の粒子形態を有することを特徴とする請求項１に記載の弁閉鎖ユニット。
  13. 前記磁性ビードは、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ及び、これらの酸化物からなる群から選択される少なくとも一種を成分として含むことを特徴とする請求項１２に記載の弁閉鎖ユニット。
  14. 前記相転移物質は、ワックス、ゲル、熱可塑性樹脂からなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項１に記載の弁閉鎖ユニット。
  15. 前記ワックスは、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、合成ワックス、及び天然ワックスからなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項１４に記載の弁閉鎖ユニット。
  16. 前記ゲルは、ポリアクリルアミド、ポリアクリレート、ポリメタクリレート及び、ポリビニルアミドからなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項１４に記載の弁閉鎖ユニット。
  17. 前記熱可塑性樹脂は、ＣＯＣ、ＰＭＭＡ、ＰＣ、ＰＳ、ＰＯＭ、ＰＦＡ、ＰＶＣ、ＰＰ、ＰＥＴ、ＰＥＥＫ、ＰＡ、ＰＳＵ及び、ＰＶＤＦからなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項１４に記載の弁閉鎖ユニット。
  18. 前記連結通路上には、前記充填物の前記チャンネルへの流入を抑制するためのバッファチャンバがさらに備えられていることを特徴とする請求項１に記載の弁閉鎖ユニット。
  19. 流体の流路となる流体チャンネル、及び前記流体チャンネル上に設けられた反応チャンバが形成された基板と、
    前記流体チャンネルを適時閉鎖するための弁閉鎖ユニットと、を備えた反応装置において、
    前記弁閉鎖ユニットは、前記基板上に備えられており、常温で固体である相転移物質、及び前記相転移物質内に分散された、電磁気波エネルギーを吸収して発熱する複数の微細発熱粒子を含んでなる充填物が充填された充填物チャンバと、前記基板上に備えられており、前記充填物チャンバ及び前記流体チャンネルを連結するための連結通路と、を備えており、
    前記複数の微細発熱粒子は、電磁気波エネルギーを吸収して発熱すると、前記相転移物質を溶融・膨脹させることにより前記充填物を溶融・膨張させ、
    膨張した前記充填物は、前記連結通路を通って前記流体チャンネルに流入することにより前記流体チャンネルを閉鎖することを特徴とする反応装置。
  20. 前記充填物に電磁波を照射するための外部エネルギー源をさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の反応装置。
  21. 前記外部エネルギー源は、レーザを照射するレーザ光源を含むことを特徴とする請求項２０に記載の反応装置。
  22. 前記レーザ光源は、レーザダイオードを含むことを特徴とする請求項２１に記載の反応装置。
  23. 前記レーザ光源から照射されるレーザは、少なくとも１ｍＪ／パルスのエネルギーを有するパルス電磁波であることを特徴とする請求項２１に記載の反応装置。
  24. 前記レーザ光源から照射されるレーザは、少なくとも１０ｍＷの出力を有する連続的な電磁波であることを特徴とする請求項２１に記載の反応装置。
  25. 前記レーザ光源から照射されるレーザの波長は、７５０〜１３００ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項２１に記載の反応装置。
  26. 前記微細発熱粒子の直径は、１ｎｍ〜１００μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１９に記載の反応装置。
  27. 前記微細発熱粒子は、疎水性のキャリアオイル内に分散されていることを特徴とする請求項１９に記載の反応装置。
  28. 前記微細発熱粒子は、強磁性物質または金属酸化物を成分として含むことを特徴とする請求項１９に記載の反応装置。
  29. 前記金属酸化物は、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４及び、ＨｆＯ２からなる群から選択される少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項２８に記載の反応装置。
  30. 前記微細発熱粒子は、重合体粒子、量子ドット、及び磁性ビーズからなる群から選択される少なくとも一種の粒子形態を有することを特徴とする請求項１９に記載の反応装置。
  31. 前記磁性ビードは、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ及び、これらの酸化物からなる群から選択される少なくとも一種を成分として含むことを特徴とする請求項３０に記載の反応装置。
  32. 前記相転移物質は、ワックス、ゲル、熱可塑性樹脂からなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項１９に記載の反応装置。
  33. 前記ワックスは、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、合成ワックス、及び天然ワックスからなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項３２に記載の反応装置。
  34. 前記ゲルは、ポリアクリルアミド、ポリアクリレート、ポリメタクリレート及び、ポリビニルアミドからなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項３２に記載の反応装置。
  35. 前記熱可塑性樹脂は、ＣＯＣ、ＰＭＭＡ、ＰＣ、ＰＳ、ＰＯＭ、ＰＦＡ、ＰＶＣ、ＰＰ、ＰＥＴ、ＰＥＥＫ、ＰＡ、ＰＳＵ及び、ＰＶＤＦからなる群から選択される少なくとも一種であることを特徴とする請求項３２に記載の反応装置。
  36. 前記弁閉鎖ユニットは、前記連結通路上に形成されており、前記充填物の前記チャンネルへの流入を抑制するためのバッファチャンバをさらに備えていることを特徴とする請求項１９に記載の反応装置。
  37. 前記複数の微細発熱粒子の電磁波エネルギー吸収により溶融・膨張した前記充填物に遠心力を働かせて前記充填物を前記流体チャンネルに流入させるために前記基板を回転する回転手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１９に記載の反応装置。
  38. 前記充填物チャンバ及び前記連結通路は、前記反応チャンバの一側に連結される流体チャンネルと他側に連結される流体チャンネルをそれぞれ閉鎖するために一対ずつ備えられていることを特徴とする請求項１９に記載の反応装置。
  39. 前記基板は、相互にボンディングされた下部プレート及び上部プレートから形成されることを特徴とする請求項１９に記載の反応装置。
  40. 前記下部プレートと上部プレートは、接着剤または超音波融着によってボンディングされることを特徴とする請求項３９に記載の反応装置。
  41. 前記流体チャンネル、前記反応チャンバ、前記充填物チャンバ、及び前記連結通路は、前記下部プレート及び上部プレートのどちらか一方に形成されていることを特徴とする請求項３９に記載の反応装置。
  42. 前記基板には、前記流体チャンネルに流体を注入するための流体ホールと、前記充填物チャンバに前記充填物を注入するための充填物ホールが形成されていることを特徴とする請求項１９に記載の反応装置。
  43. 前記基板の少なくとも一部分は、電磁波が透過できるように透明であることを特徴とする請求項１９に記載の反応装置。
  44. 常温で固体である相転移物質を含んでなる充填物が充填された充填物チャンバと、
    前記充填物チャンバと、流体の流路となるチャンネルとを連結する連結通路と、を備えており、
    前記相転移物質は、電磁波のエネルギーを吸収して溶融すると、前記充填物を前記連結通路を通って前記チャンネルに流入させることにより前記チャンネルを閉鎖することを特徴とする弁閉鎖ユニット。
  45. 前記充填物に電磁波を照射するための外部エネルギー源をさらに含むことを特徴とする請求項４４に記載の弁閉鎖ユニット。
  46. 流体の流路となる流体チャンネル、及び前記流体チャンネル上に設けられた反応チャンバが形成された基板と、前記流体チャンネルを適時閉鎖するための弁閉鎖ユニットとを備えた反応装置において、
    前記弁閉鎖ユニットは、前記基板に備えられており、常温で固体である相転移物質を含んでなる充填物が充填された充填物チャンバと、前記基板に備えられており、前記充填物チャンバと前記流体チャンネルとを連結するための連結通路と、を備えており、
    前記相転移物質は、電磁波エネルギーを吸収して溶融すると、前記充填物を前記連結通路を通って前記流体チャンネルに流入させることにより前記流体チャンネルを閉鎖することを特徴とする反応装置。
  47. 前記充填物に電磁波を照射するための外部エネルギー源をさらに含むことを特徴とする請求項４６に記載の弁閉鎖ユニット。
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