JP2009128037A - マイクロ流体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】流路からの漏れを軽減し、コンタミネーションの発生を抑制できる簡素な構造のマイクロ流体装置を提供する。
【解決手段】マイクロ流体装置は、マイクロ流体チップ１１と超音波ステータ１４とを有し、マイクロ流体チップ１１は超音波ステータ１４に形成された保持部１５に保持される。マイクロ流体チップ１１は、微小な流路１２を有する基板１８からなる。流路１２の内部には、弁体１３が移動可能に設置されている。上流側の流路１２の断面積は下流側の断面積よりも大きく、弁体１３が流路１２の下流側へ移動した場合、下流側の流路１２が塞がれ、流路１２が分断される。弁体１３が流路１２の上流側へ移動した場合、流路１２が連結された状態となる。弁体１３の移動は、超音波ステータ１４が発振する進行波によって行われる。進行波は保持部１５を介してマイクロ流体チップ１１の基板１８に伝えられ、弁体１３はその進行波の進行方向に応じて移動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ流体チップを用いたマイクロ流体装置に関する。
現在、バイオ、環境分析、化学合成などにおいて、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ：micro electro mechanical systems）が注目されている。そして、ＭＥＭＳが応用される一分野として、マイクロ総合分析システム（μＴＡＳ：micro total analysis systems）と呼ばれるものがある。μＴＡＳとは、化学合成や化学分析などを微小なチップの上で統括的に行うシステムであり、微小なチップとしては、マイクロ流体チップが用いられる。マイクロ流体チップは、半導体、ガラス、セラミックス、合成樹脂などの基板に、微小な流路が形成されたチップである。そして流路に、検体、試薬、化学合成の材料である液体、粉体など（以下、流体と呼ぶ。）を流し、マイクロ流体チップの内部で、化学分析や化学合成が行われる。マイクロ流体チップを用いた化学分析及び化学合成では、微量な流体により化学分析や化学合成が可能であり、さらに反応速度が速いという特長を有する。そのため、マイクロ流体チップを用いたマイクロ流体装置の開発が期待されている。
マイクロ流体チップを実際に使用する場合、分析のために必要な試料を一定量秤取する手段が必要となる場合がある。このためマイクロ流体チップの流路には、バルブが設置される。バルブを有するマイクロ流体チップとしては、ダイヤフラム式のバルブを有するもの、または流路を変形させて流路中の流体の流れを制御するものが挙げられる。
特許文献１には、ダイヤフラム式のバルブを有するマイクロ流体チップが開示されている。図１０（ａ）、（ｂ）は特許文献１に記載のマイクロ流体チップの概略的断面図である。マイクロ流体チップ１０１は、流路１０２ａ、１０２ｂが形成された基板１０８を有する。そして、図１０（ａ）のように、上流側の流路１０２ａと下流側の流路１０２ｂを塞ぐようにダイヤフラム１０３が構成されている。ダイヤフラム１０３は変形可能な部材により構成されており、ダイヤフラム１０３を変形させる駆動手段１０４が接続されている。そして、駆動手段１０４によってダイヤフラム１０３を変形させることで、上流側の流路１０２ａと下流側の流路１０２ｂが分断された状態（図１０（ａ）参照。）と、連結された状態（図１０（ｂ）参照。）に切り替えられる。
また特許文献２には、流路を変形させて流体の流れを制御するマイクロ流体チップが開示されている。図１１（ａ）、（ｂ）は、特許文献２に記載のマイクロ流体チップの概念的断面図である。マイクロ流体チップ１１１は、試薬や検体などの流体が流れる流路１１２が形成された基板１１８を有する。また、基板１１８には流路１１２と立体交差するように、バルブ駆動用流路１１４が形成されている。そして、少なくとも流路１１２とバルブ駆動用流路１１４が立体交差する箇所は、例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ：poly-dimethyl siloxane）１１３のような柔らかい材料からなる。図１１（ａ）は、上流側と下流側の流路１１２が連結された状態のマイクロ流体チップ１１１を示している。そして、上流側と下流側の流路１１２を分断するには、バルブ駆動用流路１１４に、圧縮空気を流す。これにより、バルブ駆動用流路１１４内の圧力が高くなり、ＰＤＭＳ１１３が変形する。変形されたＰＤＭＳ１１３は、流路１１２を圧迫するため、流路１１２中の流体の流れを止める。
上記のように、特許文献１または２に記載のマイクロ流体チップは、流路を流れる分析のために必要な試料を一定量秤取することができる。
米国特許第５９３２７９９号明細書 米国特許第６４０８８７８号明細書
特許文献１に記載のマイクロ流体チップは、ダイヤフラムを変形させる駆動手段が必要であるため、複雑な構造になる。そのためマイクロ流体チップは大型化し、高価なものになる。
特許文献２に記載のマイクロ流体チップは、流路を大幅に変形させる必要があるため、耐久性に乏しい。また、ＰＤＭＳのような柔らかい材料は、液体や気体、特に蒸発物の漏れや、それに伴うコンタミネーションが発生するという課題がある。
本発明の目的は、上記従来技術の課題に鑑み、簡素な構造のマイクロ流体チップ及びそれを用いたマイクロ流体装置を提供することにある。また本発明の目的は、流路からの漏れを軽減し、コンタミネーションの発生が抑制されたマイクロ流体チップを提供することにある。
上記目的を達成するため本発明は、流路が形成された基板を有するマイクロ流体チップを備えたマイクロ流体装置において、進行波を発振する振動子を有し、前記マイクロ流体チップは弁体を有し、前記進行波によって前記弁体は移動または回転し、前記弁体の移動または回転によって、前記弁体よりも上流側の前記流路の流体を前記弁体よりも下流側の前記流路へ通過可能または通過不能とすることを特徴とする。
また本発明は、流路が形成された基板を有するマイクロ流体チップを備えたマイクロ流体装置において、前記マイクロ流体チップ内の圧力発生部に移動可能に設置された弁体と、前記弁体を移動させるための進行波を発振する振動子とを有し、前記弁体の移動により前記圧力発生部の圧力が上昇または下降して、前記流路の流体を送液することを特徴とする。
本発明によれば、流路からの漏れを軽減し、コンタミネーションの発生を抑制できる簡素な構造のマイクロ流体チップを有するマイクロ流体装置を提供することが可能である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
［実施例１］
図１（ａ）、（ｂ）は、本実施例におけるマイクロ流体装置の断面図である。図２は、マイクロ流体装置が有するマイクロ流体チップの概念的斜視図である。ただし図２では、マイクロ流体チップの内部構造が明示されるように基板の上部は描かれていない。マイクロ流体装置は、マイクロ流体チップ１１と、超音波ステータ１４とを有する。超音波ステータ１４にはマイクロ流体チップ１１を保持するための保持部１５が形成されており、マイクロ流体チップ１１は、保持部１５に保持される。マイクロ流体チップ１１を保持部１５に保持する手段としては、磁力、吸引力、静電気力などによる引力が利用される。また、マイクロ流体チップ１１は必要に応じて交換可能であるに保持される。
マイクロ流体チップ１１は、断面視長方形の微小な流路１２を有する基板１８からなる。流路１２では、検体、試薬、化学合成の材料などの流体の送液、混合攪拌、分離などが行われる。また流路１２の内部には、弁体１３が設置されている。弁体１３の形状は直方体であり、弁体１３は流路１２の内部を移動可能に設置されている。流路１２の上流側の断面積は下流側の断面積よりも大きく形成されており、弁体１３が流路１２の下流側へ移動した場合、弁体１３は下流側の流路１２を塞ぐ。このようにして、流路１２が分断された状態（以下、バルブ閉状態と呼ぶ。）となる（図１（ａ）参照。）。また、弁体１３が流路１２の上流側へ移動した場合、上流側と下流側の流路１２が連結された状態（以下、バルブ開状態と呼ぶ。）となる（図１（ｂ）参照）。このように弁体１３の移動によって、弁体１３よりも上流側の流路１２の流体を、弁体１３よりも下流側の流路１２へ通過可能または通過不能とすることができる。
弁体１３の移動は、弁体の移動手段である超音波ステータ１４によって行われる。超音波ステータ１４は超音波振動子であり、例えば超音波モータのステータが用いられる。超音波ステータ１４は進行波を発振し、その進行波は保持部１５を介してマイクロ流体チップ１１の基板１８に伝えられる。そして、基板１８に接して構成された弁体１３は、基板１８に伝えられた進行波によって、進行波の進行方向とは逆方向に移動する。つまり、超音波ステータ１４によって、進行波の進行方向を制御することで、バルブ閉状態とバルブ開状態とを制御可能である。バルブ閉状態にする場合、流路１２の下流側から上流側へ向けて進行波を発振し、バルブ開状態にする場合、上流側から下流側へ向けて進行波を発振させれば良い。
本実施例では、流路１２の断面積が大きい方を上流側としたが、流路１２の断面積が大きい方を下流側としても構わない。このとき、弁体１３が流路１２の上流側へ移動した場合がバルブ閉状態であり、弁体１３が流路１２の下流側へ移動した場合がバルブ開状態である。
また、マイクロ流体チップ１１は、図１に示されるように、弁体１３と基板１８上部との間に、加圧手段としてＰＤＭＳ１６を有する。ＰＤＭＳ１６は、圧縮された状態で弁体１３と基板１８の上部との間に挿入され、弁体１３を基板１８の下面に圧接させる。このとき、バルブ開状態で流路１２が分断されないように、ＰＤＭＳ１６は弁体１３と基板１８との間の空間の一部に構成される。このように弁体１３と基板１８との下面が十分に圧接し、摩擦力を有することで、超音波ステータ１４が発振する進行波により、弁体１３は潤滑に移動する。
本実施例では加圧手段としてＰＤＭＳ１６を用いたが、加圧手段は、弾性体であればどのような材料でも好適に用いられる。例えば、板ばねやコイルばねなどのばねを用いても構わない。また、加圧手段は上記のような弾性体の挿入に限定されない。例えば、加圧手段は、弁体１３と超音波ステータ１４との間に生じさせた磁力による引力でも構わない。これは、弁体１３と超音波ステータ１４の一方に磁石、他方に磁性体を設ければ良い。あるいは、弁体１３と超音波ステータ１４の両方に磁石を設け、対向する面を異なる極性としても良い。
さらに、弁体１３と弁体１３上部の基板１８とに磁石を設け、対向する面を同じ極性としても良い。そうすることで、磁気的な反発力により、弁体１３は基板１８の下面に圧接される。
上記の構成におけるマイクロ流体チップ１１は、弁体１３の弁体移動手段がマイクロ流体チップ１１の外部に設けられるため、非常に簡素な構成となる。このため、マイクロ流体チップ１１の小型化、低コスト化を図ることが出来る。また、基板１８に弁体の駆動源が構成されず、流路１２を変形させることもないため、流路１２からの流体の漏れ、及びコンタミネーションの発生を抑制することができる。また、流路１２の内部で弁体１３が移動可能に構成されれば、基板１８及び弁体１３はどのような材質から構成されても構わない。したがって、流路１２の内部の流体の漏れの防止、及びコンタミネーションの発生の抑制効果が高い材料を利用することができる。
［実施例２］
以下、別の実施例におけるマイクロ流体装置の構成について説明する。図３は、本実施例におけるマイクロ流体装置の概念的斜視図である。マイクロ流体装置は、マイクロ流体チップ１１と、超音波ステータ１４と、検出系１９とを有する。マイクロ流体チップ１１は、超音波ステータ１４に形成された保持部（不図示）に保持されている。マイクロ流体チップ１１の構成は、図２で説明したマイクロ流体チップ１１に、さらに参照スケール１７ａ及びスケール１７ｂが設置された構成である。参照スケール１７ａは、基板１８に固定されており、スケール１７ｂは弁体１３に固定されている。そして、参照スケール１７ａとスケール１７ｂは、対向する位置に設けられている。検出系１９は参照スケール１７ａとスケール１７ｂとを検出可能な検出系であり、マイクロ流体チップ１１が有する弁体１３の上方に、非接触な状態で配置されている。基板１８に固定された参照スケール１７ａを検出することで、マイクロ流体チップ１１の位置を検出することが可能であり、弁体１３に固定されたスケール１７ｂを検出することで、弁体１３の位置を検出することが可能である。そして、参照スケール１７ａとスケール１７ｂとを同時に検出することにより、マイクロ流体チップ１１の位置を基準とした弁体１３の相対位置を検出することができる。
具体的な検出方法としては、例えば、光学的な検出が有効である。参照スケール１７ａとスケール１７ｂは対向して配置されているため、参照スケール１７ａとスケール１７ｂを通過した光の干渉により、検出系１９はモアレ縞を検出する。このモアレ縞は、参照スケール１７ａとスケール１７ｂとの相対位置の変化と伴に移動する。したがって、モアレ縞の移動を検出することで、マイクロ流体チップ１１を基準とする弁体１３の移動距離を検出することができる。これにより、バルブ開状態とバルブ閉状態を検出可能となるため、バルブの開閉における誤動作を抑制することができる。また、弁体１３の移動距離の検出が可能なため、流路１２を流れる流体の流量や圧力に応じて、弁体１３を適当な位置に移動させることが可能となる。このとき、弁体１３の位置の検出結果に基づき、超音波ステータ１４による進行波を制御する。このように、本実施例におけるマイクロ流体装置は、流量及び流体の圧力調整が可能なマイクロ流体装置となる。また非接触な状態で、弁体１３の位置の検出ができるため、マイクロ流体チップ１１の耐久性が向上し、内容物の漏れ及びコンタミネーションの発生を抑制することが出来る。
本実施例ではモアレ像を検出することによって弁体１３の相対位置を検出したが、弁体１３の検出は、これに限定されない。弁体１３の相対位置の検出は、非接触状態で移動距離が検出可能であれば、どのような検出手段も好適に用いられる。
また上記実施例では、参照スケール１７ａとスケール１７ｂを対向して配置したが、スケールは弁体１３のみ構成されていても構わない。この場合、検出系１９の直下を通過したスケールの数をカウントすることで、弁体１３の位置を特定することが可能である。
［実施例３］
次に、マイクロ流体チップの別の実施例について説明する。図４（ａ）は、本実施例におけるバルブ閉状態のマイクロ流体チップの概念的斜視図であり、図４（ｂ）は、バルブ開状態のマイクロ流体チップの概念的斜視図である。また、図５は、図４（ａ）、（ｂ）のマイクロ流体チップが有する弁体の詳細な斜視図である。
マイクロ流体チップ４１は、微小な流路４２を有する基板４８からなる。流路４２の上流側の端部には第一のチャンバ４４が構成されており、流路４２の下流側の端部には第二のチャンバ４５が構成されている。第一のチャンバ４４は解析に利用する流体の流入源であり、試薬や検体などが格納されている。また、第二のチャンバ４５は、第一のチャンバ４４から流入された試薬や検体を反応させる領域である。
またマイクロ流体チップ４１には、流路４２を分断するように弁体４３が設置されている。弁体４３には、弁体４３を貫通するような弁体内流路４９が形成されており、弁体４３は基板４８の内部を移動可能に設置されている。そして、弁体４３の移動によって、弁体内流路４９は流路４２と連結可能である。つまり、図４（ａ）のように、流路４２が弁体４３によって分断された状態（バルブ閉状態）と、図４（ｂ）のように、流路４２が弁体内流路４９流路を介して連結された状態（バルブ開状態）とに制御される。このように、弁体４３の移動によって、弁体内流路４９を介して弁体４３よりも上流側の流路４２の流体を弁体４３よりも下流側の流路４２へ通過可能または通過不能とすることができる。バルブ開状態のときに、第一のチャンバ４４から第二のチャンバ４５へ向かって、不図示のポンプで送液することにより、第一のチャンバ４４に格納されている流体は、弁体内流路４９を介して、第二のチャンバ４５へ流入する。
弁体４３は、実施例１、２で説明した場合と同様に、弁体４３の移動手段である超音波ステータが発振する進行波によって移動される。このとき図５のように、マイクロ流体チップ４１は、加圧手段としてＰＤＭＳ４６を有することが望ましい。ＰＤＭＳ４６は、圧縮された状態で弁体４３と基板４８の上部との間に挿入される。また、弁体４３の移動距離を検出可能なマイクロ流体装置を構成するために、図５のように、弁体４３にスケール４７を固定することが望ましい。このとき、本実施例におけるマイクロ流体チップ４１を有するマイクロ流体装置は、スケール４７を検出可能な検出系有する。
本実施例におけるマイクロ流体チップ４１は、解析に利用する流体の定量インジェクタとして有効に用いられる。この場合、第二のチャンバ４５を廃液用のチャンバとし、第一のチャンバ４４に格納された流体を、バルブ開状態で弁体内流路４９へ送液する。その後、バルブ閉状態にすると、解析に利用する流体を弁体内流路４９の容積だけインジェクションすることが可能となる。
実施例１〜３では、流体が上流側から下流側へ流れる場合について説明したが、場合によっては、流体はどちらの方向へ流れても構わない。すなわち流体が流れる方向は一方向に限られず、弁体の一方に配置された流路の流体を弁体の他方に配置された流路へ流すことができれば良い。
［実施例４］
以下、別の実施例におけるマイクロ流体チップ及びそれを用いたマイクロ流体装置について説明する。図６は、本実施例におけるマイクロ流体チップの概念的上面図である。マイクロ流体チップ６１は、微小な流路６２ａ、６２ｂを有する基板６８からなる。上流側の流路６２ａの端部には、解析に用いる流体を格納するチャンバ９１が構成されている。上流側の流路６２ａには、２つの逆止弁６５が形成されており、一方向へのみ流体を送液可能な構成となっている。下流側には５つの流路６２ｂが形成されている。下流側の流路６２ｂのうち１つには、解析に利用しない廃液を流入させる廃液チャンバ９２が構成されている。また、残りの４つの流路６２ｂのそれぞれの端部には、解析に用いる流体と反応させる試薬を格納する試薬チャンバ９３が構成されている。また弁体６３は、上流側と下流側の流路６２ａ、６２ｂを分断するように、基板６８に移動可能に構成されている。また、弁体６３には、５つの弁体内流路６９が形成されている。
弁体６３が一方向に移動するに従って、５つの弁体内流路６９は、順番に上流側の流路６２ａと連結される。また、これとは逆方向に弁体６３を移動させることで、５つの弁体内流路６９のうちの4つが、それぞれ４つの試薬チャンバ９３に形成された下流側の流路６２ｂと連結される。このように、弁体６３の往復移動によって、弁体６３よりも上流側の流路６２ａの流体を、弁体６３よりも下流側の流路６２ｂへ通過させることが出来る。
弁体６３は、一定の範囲のみ移動可能であり、移動可能範囲６６の一端側は、基板６８と弁体６３とに囲まれた空間である圧力発生部６４となっている。圧力発生部６４は、上流側の流路６２ａ中で、２つの逆止弁６５に挟まれた箇所と連結されている。そして、弁体６３の移動に伴って、圧力発生部６４の内部の圧力は上昇または下降し、上流側の流路６２ａの圧力も変化する。つまり弁体６３の移動は、流体を送液させるポンプとしての機能を有する。このように、送液手段として弁体６３の移動に伴う流路６２ａの内部の圧力変化を用いることで、本実施例におけるマイクロ流体チップ６１は、別の送液手段の必要がなくなる。したがって、マイクロ流体チップ６１はより簡素な構造となり、小型化、低コスト化を図ることが可能となる。
以下、マイクロ流体チップ６１を用いたマイクロ流体装置について説明する。また、マイクロ流体装置を用いた蛍光プローブ法によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ：Polymerase Chain Reaction）の一例について説明する。本実施例では、マイクロ流体チップ６１のチャンバ９１には、核酸を含んだ検体が格納されている。また、それぞれの試薬チャンバ９３には、試薬（酵素やプライマ）が注入されている。
図７（ａ）は、マイクロ流体装置の概念的上面図であり、図７（ｂ）はマイクロ流体装置の概念的側面図である。マイクロ流体装置は、図６で説明したマイクロ流体チップ６１と、超音波ステータ７４と、センサ７２と、励起光照射手段７１とを有する。マイクロ流体チップ６１は、超音波ステータ７４に形成された保持部７５に保持されている。超音波ステータ７４は進行波を発振し、保持部７５を介してマイクロ流体チップ６１の基板６８に進行波を生じさせる。弁体６３は、この進行波によって、進行波の進行方向とは逆方向に移動する。
上述のように、弁体６３の移動に伴う流路６２ａ内の圧力変化は、検体を送液させるポンプとしての機能を備えるため、超音波ステータ７４はポンプの駆動源でもある。このように、ポンプの駆動源がマイクロ流体チップ６１の外部に構成されるため、マイクロ流体チップ６１は簡素な構成となり、さらには流路６２ａ、６２ｂの流体の漏れに伴うコンタミネーションの発生を抑制できる。
励起光照射手段７１としてはレーザーが用いられ、４つの試薬チャンバ９３および、試薬チャンバ９３と連結された状態の弁体内流路６９に励起光を照射させられるように、レーザーは構成されている。またセンサ７２は、励起光によって励起された核酸が発する蛍光の強度を検出するものであり、弁体６３の上方に設置されている。
図８（ａ）〜（ｄ）には、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を実施する前段階において、検体と試薬とを混合する工程が示されている。図８（ａ）は、本工程におけるマイクロ流体装置の初期状態を示す図である。弁体６３を圧力発生部６４の空間が小さくなるように、予め移動させておく。また、初期状態において、核酸を含んだ検体をチャンバ９１に注入しておく。また、それぞれの試薬チャンバ９３には、試薬（酵素やプライマ）を注入しておく。検体は、弁体６３を上記の位置に移動させた後に、チャンバ９１に注入されることが好ましい。
次に、検体を圧力発生部６４へ送液する。具体的には、超音波ステータから進行波を発振し、弁体６３を圧力発生部６４の空間を広げるように移動させる。これにより圧力発生部６４は減圧され、チャンバ９１から圧力発生部６４へ検体が流入する（図８（ｂ）参照。）。
次に、超音波ステータから上記工程とは逆方向の進行波を発振し、弁体６３を圧力発生部６４の空間を狭めるように移動させる。これにより、圧力発生部６４の圧力が高くなり、圧力発生部６４から流路６２ａへ向かって、検体が送液される。このとき、逆止弁６５のため、検体は弁体６３の方へ向かって送液される。このとき弁体６３の移動に伴って、５つの弁体内流路６９は、順番に上流側の流路６２ａと連結される。それぞれの弁体内流路６９が連結されたとき、検体は弁体内流路６９に送液される。最終的にすべての弁体内流路６９は、検体が送液された状態となる（図８（ｃ）参照）。また、一番初めに検体が送液された弁体内流路６９（図中の一番左側の弁体内流路）は、初期状態で流路６２ａに存在していた空気が混入している。したがって、この弁体内流路６９に送液された検体は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）に使用しないことが望ましい。本実施例において、試薬チャンバ９３の数が弁体内流路６９の数よりも１つ少ないのは、このためである。
次に、超音波ステータが発振する進行波の向きを、再び逆方向とすることで、弁体６３を試薬チャンバ９３が形成された方向へ移動させる。そして、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）に使用する４つの弁体内流路６９と、基板６８に形成された４つの下流側の流路６２ｂとを連結させる（図８（ｄ）参照。）。このようにして、弁体内流路６９の内部の検体と、試薬チャンバ９３の内部の試薬とを混合する。なお、検体と試薬とを混合させる際、超音波ステータが発振する進行波を利用して、混合を促進させることが好ましい。つまり、進行波によって、弁体内流路６９及び下流側の流路６２ｂをぜん動運動させることで、検体と試薬とを効率よく混合させることができる。
そして、図８（ｄ）の状態において、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を実施する。ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）では、不図示の温度調整手段によってマイクロ流体チップ６１に対して加熱と冷却を繰り返すことで、検体中の核酸を増幅させる。このとき、試薬チャンバ９３内の試薬が検体中の核酸と特異的に反応するプローブであった場合、ポリメラーゼ連鎖反応を経た後、プローブは励起光が照射されることで蛍光を発する。そして、この蛍光の強度をセンサ７２によって検出することで、特定の核酸の有無および量を検出することが出来る。
本実施例では、弁体内流路６９を５箇所とし、試薬チャンバ９３を４箇所としたが、これに限定される必要はない。試薬チャンバ９３は、検体と反応させる試薬の数によって適宜変更可能である。また弁体内流路６９の数は、試薬チャンバ９３の数に伴って適宜変更されることが望ましい。また本実施例では、蛍光プローブ法によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）について簡単に説明したが、本実施例におけるマイクロ流体装置は、様々な解析に利用可能である。
以上、本発明のマイクロ流体チップ及び、それを用いたマイクロ流体装置について詳細に説明したが、本発明は上記の実施例に限定されるものではない。例えば、流路の断面形状は、どのようなものでも構わない。
また弁体の形状及び移動方向は、弁体の移動により弁体よりも上流側の流路の流体を、弁体よりも下流側の流路へ通過可能または通過不能とすることができればどのようなものでも構わない。例えば、弁体の形状は、楔形状や、円柱形状であっても良い。さらに、弁体の形状を円柱形状とし、円柱の中心軸を中心に回転可能に設置してもよい。このとき、円柱の側面に弁体内流路を形成しておけば良い。そして、弁体を回転させることで、弁体内流路を介して、弁体よりも上流側の流路の流体を、弁体よりも下流側の流路へ通過可能または通過不能とすることができる。このとき弁体は、超音波ステータが発振する進行波によって回転させれば良い。
また、使用用途によっては、マイクロ流体チップを用いたマイクロ流体装置として、弁体の基準位置が設定されることが望ましい場合がある。つまり、超音波ステータを稼動していない状態における弁体の位置が設定される。この場合、弁体と基板とを、例えばばねのような弾性体により接続する。このように、弁体に負荷を与えることで、超音波ステータを稼動しない状態で、特定の基準位置に弁体を設置することが可能である。基準位置の設定には、弾性体の弾性力の利用に限定されず、例えば磁力を利用しても良い。
なお、基準位置が設定されないマイクロ流体チップは、ラッチ機能を有するマイクロ流体チップとして利用可能である。弁体は加圧手段によって基板に圧接されるため、超音波ステータが稼動していない場合、弁体は摩擦力により、その位置が固定される。このようにして、加圧手段は、弁体にラッチ機能を生じさせる。
以下、本発明におけるマイクロ流体チップが有する弁体を潤滑に移動させる一手段について説明する。マイクロ流体チップが有する弁体を潤滑に移動させるには、超音波ステータが発振する進行波の周波数が、マイクロ流体チップが保持された状態のマイクロ流体装置を共振させる共振周波数（以下、単に共振周波数と呼ぶ。）であることが望ましい。共振周波数は各々のマイクロ流体チップや、マイクロ流体チップの保持状態によって異なる。したがって、超音波ステータが発振する進行波の周波数は、マイクロ流体チップごとに設定されることが望ましい。
図９は、超音波ステータが発振する進行波の周波数を共振周波数に設定する周波数設定手段において、周波数を設定するための制御工程を示すフローチャート図である。制御工程は、少なくとも保持工程Ｓ１と、周波数調整工程Ｓ２とを有する。
保持工程Ｓ１は、マイクロ流体チップを超音波ステータの保持部に保持する工程である。保持工程Ｓ１では、マイクロ流体チップを搬送し、超音波ステータ上の保持部で保持する。
周波数調整工程Ｓ２では、マイクロ流体チップが保持部に保持された状態において、マイクロ流体装置が共振するように、超音波ステータが発振する進行波の周波数を調整する。具体的な調整方法の一例を以下に説明する。まず、超音波ステータから振幅一定の正弦波を発振する。そして、正弦波の周波数を変えながらマイクロ流体装置の振動の振幅をモニタする。振幅は、変位測定用の圧電素子を設け、圧電素子からの出力によって測定することができる。また、レーザドップラ変位計のような非接触変位計を設け、振幅を測定しても良い。なお、振幅を測定する位置としては、マイクロ流体チップ、超音波ステータ、超音波ステータの保持部などのように、マイクロ流体装置の一部であれば良い。そして、超音波ステータが発振する正弦波の周波数を、測定した振幅が最大となるような周波数を共振周波数として設定する。
このとき、上記の周波数調整工程Ｓ２を複数回実施し、共振周波数またはそのときの振動の振幅の再現性を確認することが好ましい。同じ構成のマイクロ流体装置を用いる場合、共振周波数は、概ねある範囲内に収まると考えられる。したがって、予め複数のマイクロ流体チップが保持されたマイクロ流体装置に関して共振周波数の分布を測定しておくことで、新たに使用するマイクロ流体チップの良し悪し、及びマイクロ流体チップの保持状態の良し悪しの基準とすることができる。つまり、予め測定した共振周波数の分布を、正常な範囲の周波数帯として設定しておく。そして、周波数調整工程Ｓ２において設定した共振周波数が予め設定された周波数帯に含まれる場合、その共振周波数を、超音波ステータが発振する進行波の周波数として設定する。また周波数調整工程Ｓ２において設定した共振周波数が予め設定された周波数帯に含まれない場合、あるいは共振周波数またはそのときの振幅の再現性が低い場合、異常状態のマイクロ流体チップであると判定する。異常状態と判定されたマイクロ流体チップは、異常な保持状態のマイクロ流体チップ、または不良なマイクロ流体チップと考えられる。したがって異常状態と判定された場合、異常な保持状態のマイクロ流体チップである可能性を考慮し、後述のリトライ数制御手段Ｓ３による制御工程を実施することが望ましい。
リトライ数制御手段Ｓ３は、周波数調整工程Ｓ２において、異常状態と判定された回数（以下、リトライ数と呼ぶ。）をカウントする。そしてリトライ数が、予め設定した設定値以内であれば、マイクロ流体チップが保持された状態を解除する。そして、再び保持工程Ｓ１を実施後、周波数調整工程Ｓ２をやり直す。また、リトライ数が設定値よりも大きい場合、不良なマイクロ流体チップである可能性が高い。したがって、周波数の設定工程を中止し、そのマイクロ流体チップは回収する。このようにして、周波数の設定工程において、不良なマイクロ流体チップを回収することができる。
以上の周波数の設定工程を経ることにより、超音波ステータが発振する進行波の周波数を、マイクロ流体チップが保持された状態におけるマイクロ流体装置を共振させる共振周波数に設定することができる。このように設定された共振周波数の進行波を利用して、弁体を潤滑に移動させることが可能である。
上述した共振周波数の設定工程は一実施例であり、その方法に限定されるものではない。例えば、弁体を潤滑に移動させることが出来れば、一度の保持工程Ｓ１、周波数調整工程Ｓ２によって、周波数を設定しても構わない。
以上、弁体移動手段が超音波ステータを利用した弁体の移動方法について詳細に説明したが、弁体移動手段は、超音波ステータに限定されない。例えば、超音波の周波数領域ではない振動子を用いることも可能である。このような振動子は、共振周波数が、超音波の周波数領域ではない場合に好適に用いられる。さらに、進行波の振動以外で、弁体を移動させても良い。その一例として、磁力が挙げられる。例えば弁体の一部を磁性体から構成し、マイクロ流体チップの外部に電磁石を構成しても良い。そうすることで、電磁石からの磁力によって弁体を移動させることが可能である。
（ａ）は、バルブ閉状態のマイクロ流体装置の断面図であり、（ｂ）は、バルブ開状態のマイクロ流体装置の断面図である。 図１で用いられるマイクロ流体チップの概念的斜視図。 本発明の一実施例におけるマイクロ流体装置の概念的斜視図。 （ａ）は、本発明の一実施例におけるバルブ閉状態のマイクロ流体チップの概念的斜視図であり、（ｂ）は、バルブ開状態のマイクロ流体チップの概念的斜視図である。 図４のマイクロ流体チップにおける弁体の詳細な斜視図。 本発明の一実施例におけるマイクロ流体チップの概念的上面図。 （ａ）は図６のマイクロ流体チップを用いたマイクロ流体装置の概念的上面図であり、（ｂ）はマイクロ流体装置の概念的側面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、検体と試薬の混合に関するマイクロ流体装置の操作工程を示す図。 超音波ステータが発振する進行波の周波数を、マイクロ流体装置を共振させる共振周波数に設定する設定工程を示すフローチャート図。 （ａ）は従来技術におけるバルブ閉状態のマイクロ流体チップの図であり、（ｂ）は従来技術におけるバルブ開状態のマイクロ流体チップの図である。 （ａ）は従来技術におけるバルブ開状態のマイクロ流体チップの図であり、（ｂ）は従来技術におけるバルブ閉状態のマイクロ流体チップの図である。
符号の説明
１１、４１、６１ マイクロ流体チップ
１２、４２、６２ａ、６２ｂ 流路
１３、４３、６３ 弁体
１４、７４ 超音波ステータ
１６、４６ ＰＤＭＳ
１７ａ 参照スケール
１７ｂ、４７ スケール
１８、４８、６８ 基板
１９ 検出系
４９、６９ 弁体内流路

Claims (13)

  1. 流路が形成された基板を有するマイクロ流体チップを備えたマイクロ流体装置において、
    進行波を発振する振動子を有し、
    前記マイクロ流体チップは弁体を有し、
    前記進行波によって前記弁体は移動または回転し、
    前記弁体の移動または回転によって、前記弁体の一方に配置された前記流路の流体を前記弁体の他方に配置された前記流路へ通過可能または通過不能とすることを特徴とするマイクロ流体装置。
  2. 前記弁体は弁体内流路が形成されており、
    前記弁体の移動または回転によって、前記弁体内流路を介して前記弁体の一方に配置された前記流路の流体を前記弁体の他方に配置された前記流路へ通過可能または通過不能とすることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体装置。
  3. 前記弁体は、前記流路を分断するように設置されており、
    前記弁体の移動または回転によって、前記弁体内流路を前記流路と連結可能であることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ流体装置。
  4. 流路が形成された基板を有するマイクロ流体チップを備えたマイクロ流体装置において、
    前記マイクロ流体チップ内の圧力発生部に移動可能に設置された弁体と、
    前記弁体を移動させるための進行波を発振する振動子とを有し、
    前記弁体の移動により前記圧力発生部の圧力が上昇または下降して、前記流路の流体を送液することを特徴とするマイクロ流体装置。
  5. 前記基板と前記弁体とを圧接させる加圧手段を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のマイクロ流体装置。
  6. 前記弁体の移動距離を検出する検出手段をさらに有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のマイクロ流体装置。
  7. 前記弁体がスケールを有し、
    前記基板は、前記スケールに対向する位置に参照スケールを有し、
    前記検出手段が、前記スケール及び前記参照スケールを非接触で検出する検出系であることを特徴とする請求項６に記載のマイクロ流体装置。
  8. 前記流路に前記流体を送液させる送液手段をさらに有し、
    前記送液手段が、前記弁体の移動に伴う前記流路の内部の圧力変化を用いていることを特徴とする請求項１から７のいずれか1項に記載のマイクロ流体装置。
  9. 前記進行波の周波数が、前記マイクロ流体装置を共振させる共振周波数であることを特徴とする請求項１から８のいずれか1項に記載のマイクロ流体装置。
  10. 前記進行波の前記周波数を、前記共振周波数に設定する周波数設定手段を有する請求項９に記載のマイクロ流体装置。
  11. 前記周波数設定手段は、前記共振周波数の設定を複数回実施し、前記共振周波数の再現性または前記共振周波数における振動の振幅の再現性を確認し、再現性が低い場合、再び前記進行波の前記周波数を、前記共振周波数に設定するように制御する手段を有する請求項１０に記載のマイクロ流体装置。
  12. 前記共振周波数が予め設定された周波数帯に含まれる場合、前記進行波の前記周波数を前記共振周波数に設定し、前記共振周波数が前記周波数帯に含まれない場合、再び前記進行波の前記周波数を、前記共振周波数に設定するように制御する手段を有する請求項１０または請求項１１に記載のマイクロ流体装置。
  13. 前記進行波の前記周波数を、前記共振周波数の設定を実施した回数を数え、前記回数が予め設定した設定値より大きい場合には、前記共振周波数の設定を中止するように制御するリトライ数制御手段をさらに有する請求項１１または請求項１２に記載のマイクロ流体装置。
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