JP2008151595A - 流動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流路基板の流路内に導入された液体の乾燥を防止する。
【解決手段】流動装置は、流路２３及び駆動用電極（膜状電極１４）を形成した流路基板１と、流路基板１に駆動電圧を印加する電圧印加装置４と、流路基板１及び電圧印加装置４を電気的に接続するコネクタ４１と、ペルチェ素子３１と、ペルチェ素子３１を制御するペルチェコントローラ３２と、を備えて構成される。流路基板１は、ペルチェ素子３１の吸熱面に載置され、設定温度以下に流路基板１を冷却される。これにより、液体の蒸発が防止され、長時間の作業等も可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は電気浸透流又は電気流動により液体を駆動する流動装置に関するものである。

近年、細胞、ＤＮＡ（ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄ）やＲＮＡ（ｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄ）などの生化学的な分析において、数百μｍ以下の幅の微細な流路を形成した流路基板が用いられることがある（特許文献１参照）。この流路基板では、流路の延在方向両端部に電極が形成されており、両電極に駆動電圧を印加することで、流路に導入した試料溶液中のＤＮＡや細胞などを電気浸透流又は電気泳動によって移動させ、当該ＤＮＡや細胞などの混合や分離などの操作を行うことができる。
特開２００４−２８６４４９号公報

しかしながら、流路基板は微細でかつ表面に沿って延在させているため、環境条件により、例えば、顕微鏡の照明に長時間照らされる場合や、高温・乾燥時などには、流路内に導入した液体が蒸発し、必要な液量を下回ってしまう場合があった。
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は流路内の液体の乾燥を防ぐことにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１による流動装置は、表面に沿って延びる溝状の流路、及び、前記流路に導入される液体を電気浸透流又は電気泳動により駆動するための駆動用電極を形成した流路基板と、前記駆動用電極に電圧を印加する電圧印加装置と、前記電圧印加装置及び前記流路基板を電気的に接続するコネクタと、前記流路基板を冷却する冷却手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明の請求項２による流動装置は、請求項１において、前記冷却手段は、ペルチェ素子であることを特徴とする。
本発明の請求項３による流動装置は、請求項２において、前記ペルチェ素子は、その吸熱面が前記流路基板の底面と接するように配置されることを特徴とする。
本発明の請求項４による流動装置は、請求項２又は３において、前記ペルチェ素子の放熱面を冷却する第２の冷却手段を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、流路基板が冷却されるので、流路内の液体の蒸発が抑えられ、長時間の作業等が可能である。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は本実施形態の流動装置の機能ブロック図、図２は流動装置の外観を示す図（（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。）、図３は本実施形態で用いるペルチェ素子の概略構成を示す図、図４は本実施形態で用いる流路基板を示す図、図５は図４のＩ−Ｉ線断面図である。

（全体構成）
本実施形態の流動装置は、図２に示すように、Ｌ字板状の基台５に支持板３３ｂが水平に取り付けられており、この支持板３３ｂの上面側に平板状のペルチェ素子３１が固定され、そのペルチェ素子３１の上面に密着させるようにして流路基板１が載置されている。また、支持板３３ｂ上にはコネクタ４１が取り付けられており、流路基板１はこのコネクタ４１の接続口に挿入されている。このコネクタ４１は、反対側の接続口４１ｂにて図２に示す電圧印加装置本体４２と接続可能になっており、流路基板１と電圧印加装置本体４２とを電気的に接続する。また、支持板３３ｂの下方には水冷器本体３３ａが取り付けられている。以下、上記各構成要素について、詳細に説明する。

（流路基板について）
流路基板１は、平面に沿って流路２３を形成したものであり、電圧を印加することで当該流路２３に導入された試料溶液が流動可能に構成されている。具体的には、本実施形態の流路基板１は、図４（ｂ）に示すように、１対の膜状電極１４，１４及び感光性樹脂層１２をガラス製の支持体１１に順に積層して形成されている。
支持体１１は、膜状電極１４や感光性樹脂層１２を支持する支持体である。本実施形態では、支持体１１として、長さ２０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ１ｍｍの市販の板状の硼珪酸ガラス（商品名：パイレックス（登録商標））を用いている。

膜状電極１４は、電圧印加装置本体４２から供給される駆動電圧を流路２３に印加するものであり、図４（ａ）では、互いに分離して１対形成されている。駆動電圧は、後述するが、流路２３に導入される試料溶液を駆動する電場を形成するために印加される。なお、図４（ａ）には、分かりやすくするために、膜状電極１４の形成領域をハッチングで示している。このうち、破線のハッチングは感光性樹脂層１２の下部に形成されている部分を示し、実線のハッチングは膜状電極１４が露出している部分を示す。本実施形態では、レジスト等により支持体１１にマスクパターンを形成した後、スパッタリングによりＴｉを下地として表面をＰｔの反応保護膜で覆った二層構造の膜状電極１４を形成している。このように、Ｔｉを下地とすることで支持体１１との密着性を向上させることができ、Ｐｔで覆うことで、試料溶液にさらされた際の電極反応を抑制できる。この膜状電極１４が本発明の駆動用電極に相当する。

感光性樹脂層１２は、感光性樹脂を光反応させることで形成されたものであり、支持体１１表面に所定の２次元パターンが所定の厚みをもって形成されている。この感光性樹脂層１２の形成部分と未形成部分との間の厚みの差によって、流路基板１表面に、試料溶液を収容する凹部（後述する）２が形成される。本実施形態では、化薬マイクロケム社製のネガ型フォトレジスト（商品名：ＳＵ−８）を支持体１１にスピンコータで塗布し、パターンマスクを介して紫外光を露光し、現像液で未硬化部分を溶解、除去することで、厚さ２５μｍの感光性樹脂層１２を形成している。

次に、図４に示す流路基板１の凹部２の構成について説明する。
図４（ａ）では、凹部２は、横方向に延びる流路２３と、流路２３の両端部にそれぞれ接続する平面視略四角状の溶液槽２１，２１と、からなる。
流路２３は、感光性樹脂層１２で形成された１対の側壁２３ａ，２３ａが、流路方向中央付近で流路幅が最も狭くなるように、始端から終端に至るまで平面視円弧状に湾曲形成されている。この例では、最も狭くなった部分の流路幅を１０μｍとし、流路深さは感光性樹脂層１２の厚さと同じ２５μｍとなっている。

溶液槽２１，２１は、試料溶液を投入又は回収するために用いられる。これら溶液槽２１，２１の形成領域には、１対の膜状電極１４，１４が夫々形成され、表面に露出しており、溶液槽２１，２１の底面を夫々構成している。
以上のような構成の流路基板１に試料溶液を導入し、駆動電圧を印加すると、例えば、一方の膜状電極１４を正極、他方を負極として直流電圧を印加した場合、試料溶液に正極側から負極側に向かって電気浸透流が発生し、これに伴って試料溶液中の物質（例えば、細胞）も流路２３を移動する。このとき、流路幅よりも大きな物質は、流路２３の途中で側壁２３ａ，２３ａに挟み込まれて進行を停止するため、これを顕微鏡で観察したり、又は、その物質が細胞であれば外部から高周波電圧（例えば、０．１〜１ＭＨｚ）を印加することで破砕したりすることができるようになっている。なお、駆動電圧は、直流電圧（例えば、３０Ｖ）でも交流電圧でもよい。

（その他の構成要素について）
図２に戻り、ペルチェ素子３１は、ペルチェ効果によって吸熱又は放熱する熱電変換素子であり、本実施形態では図３に示すような構成で、表面及び裏面のいずれか一方が吸熱面となり、他方の面が放熱面となるペルチェ素子を用いる。図３はペルチェ素子３１の一部を示したものであり、そのペルチェ素子３１は、一対の基板３１ａ，３１ａの間に、複数のＰ型熱電半導体３１ｐ及びＮ型熱電半導体３１ｎを配置し、これらを基板３１ａに積層される銅電極３１ｃで交互に直列接続したものである。図３に示すようにＮ型熱電半導体３１ｎからＰ型熱電半導体３１ｐに向かって電流を流すと、紙面上側に向く面が吸熱面となって、紙面下側に向く面が放熱面となる。一方、逆方向に電流を流すと、紙面上側に向く面が放熱面となり、紙面下側に向く面が吸熱面となる。流動装置では、上記のように、ペルチェ素子３１を流路基板１に密着させ、流路基板１の温度を調整する。

また、ペルチェ素子３１の上面側には温度センサ３４が貼着されており、流路基板１との接触面の温度が検出可能になっている。温度センサ３４は、例えば温度に応じて抵抗が変化するサーミスタを用いる。なお、使用する温度センサの種類はこれに限定されない。
また、ペルチェ素子３１は、１対の導線３１ｂ，３１ｂを介して図１に示すペルチェコントローラ３２に電気的に接続されており、このペルチェコントローラ３２からの駆動電流を受けて目的の温度に調整される。ペルチェコントローラ３２は、温度センサ３４の検出信号が入力されるようになっており、これに基づき流路基板１を目的の温度にするための駆動電流の大きさを算出し、当該大きさに調整した駆動電流を出力する。このペルチェ素子３１が本発明の冷却手段に相当する。

水冷器３３は、金属製の支持板３３ｂと、支持板３３ｂの下面側に取り付けられた水冷器本体３３ａと、からなる。水冷器本体３３ａは、金属製のブロック内部に冷却液の通路が設けられており、流入口３３ｃから導入された冷却液が当該冷却液通路を通って流出口３３ｄから排出されるようになっている。この冷却液は、水道から直接引き込んでもよいし、さらにポンプやラジエータなどを備えた２次冷却装置を設け、当該２次冷却装置で冷却した冷却液を循環させてもよい。この水冷器３３が本発明の第２の冷却手段に相当する。

以上のような構成の流動装置を使用するときには、流路基板１をコネクタ４１に装着し、電圧印加装置４を電源オンにし、駆動電圧を印加して凹部２に導入した試料溶液を駆動する。これと共に、ペルチェコントローラ３２も電源オンにする。ペルチェコントローラ３２はペルチェ素子３１の吸熱面が予め設定した温度を上回っていることを検出すると、ペルチェ素子３１を駆動し、流路基板１を冷却する。これにより、流路基板１が予め設定した温度以下に保たれるので、試料溶液の蒸発が抑えられる。このため、作業に長時間を要する場合などに、作業の途中で試料溶液が干上がったりすることなく、ある程度の溶液量を維持して作業をすることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されない。
例えば、流路基板１を冷却するための手段は、ペルチェ素子３１に限らず、例えば、流路基板１にヒートシンクを接触するように配置し、このヒートシンクに向かってファンから送風することで、冷却させてもよい。但し、空冷時には流路基板１に風が当たらないようにしないと、試料溶液がかえって乾燥しやすくなるおそれがある。この点、ペルチェ素子３１を用いることが好ましい。また、ペルチェ素子３１を用いると、高精度な冷却が可能であるので、温度感受性の高い生体高分子を取り扱う場合にも限られた温度範囲に保つことができ、また装置を小型化でき、静穏かつ無振動で動作可能であるので好適である。

また、図２の流動装置は、流路基板１を１枚だけ載せる構成となっているが、コネクタ４１を複数設け、複数の流路基板１が同時に載置できる構成としてもよい。この場合、ペルチェ素子３１を複数設け、流路基板１毎に冷却してもよいし、単一のペルチェ素子３１に複数の流路基板１を載置してもよい。ペルチェ素子３１を複数設け、ペルチェ素子３１毎にコントロール可能にすれば、各流路基板１を高精度に冷却できる。

また、ペルチェ素子３１と流路基板１の密着性を高めるべく、流路基板１を下方に押さえつける機構をコネクタ４１に設けてもよいし、シリコングリースを塗布してもよい。
また、流路基板１も上記構成に限定されない。例えば、流路２３が複数並設されるものや、細胞を破砕する以外の作用を果たす部分を設けたものでもよい。また、上記実施形態では、温度センサ３４をペルチェ素子３１側に設けているが、流路基板１の下面に設けてもよいし、流路基板１の凹部２に一体形成させてもよい。さらに、流路基板１とペルチェ素子３１を１チップに一体的に形成させてもよい。

本実施形態の流動装置の機能ブロック図である。 流動装置の外観を示す図（（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。）である。 本実施形態で用いるペルチェ素子の概略構成を示す図である。 （ａ）は本実施形態で用いる流路基板の平面図、（ｂ）は流路基板の積層構成を示す図である。 図４のＩ−Ｉ線断面図である。

符号の説明

１ 流路基板
１１ 支持体
１２ 感光性樹脂層
１４ 膜状電極
２ 凹部
２１ 溶液槽
２３ａ 側壁
２３ 流路
３１ ペルチェ素子
３１ａ，３１ａ基板
３１ａ 基板
３１ｂ 導線
３１ｃ 銅電極
３１ｎ Ｎ型熱電半導体
３１ｐ Ｐ型熱電半導体
３２ ペルチェコントローラ
３３ 水冷器
３３ａ 水冷器本体
３３ｂ 支持板
３３ｃ 流入口
３３ｄ 流出口
３４ 温度センサ
４ 電圧印加装置
４１ コネクタ
４１ｂ 接続口
４２ 電圧印加装置本体
５ 基台

Claims (4)

1. 表面に沿って延びる溝状の流路、及び、前記流路に導入される液体を電気浸透流又は電気泳動により駆動するための駆動用電極を形成した流路基板と、
   前記駆動用電極に電圧を印加する電圧印加装置と、
   前記電圧印加装置及び前記流路基板を電気的に接続するコネクタと、
   前記流路基板を冷却する冷却手段と、
   を備えたことを特徴とする流動装置。
2. 前記冷却手段は、ペルチェ素子であることを特徴とする請求項１に記載の流動装置。
3. 前記ペルチェ素子は、その吸熱面が前記流路基板の底面と接するように配置されることを特徴とする請求項２に記載の流動装置。
4. 前記ペルチェ素子の放熱面を冷却する第２の冷却手段を設けたことを特徴とする請求項２又は３に記載の流動装置。

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