JP2010078406A - 流動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微細流路の構成を変更することなく簡単に微細流路の弁機能を実現可能な流動制御装置を提供すること。
【解決手段】流動制御装置１は、チャンバ１０と外部、またはチャンバ１０間を接続する微細流路２０を流れる液体の流動を制御するものであり、微細流路２０−２の下方および微細流路２０−３の下方にそれぞれ設けられたトランスデューサ３（３−１，３−２）を含む。トランスデューサ３は、対応する微細流路２０に向けて音波を発生することによって微細流路２０を流れる液体にその進入方向と逆向きの音響流を発生させ、液体の進入方向への流動を停止させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、微細流路を流れる液体の流動を制御する流動制御装置に関するものである。

流体制御のための弁機構は、様々な用途で用いられ、用途に応じた種々の構造が開示されている。例えば、特許文献１には、弁体の変形によって開閉するように構成された逆止弁が開示されている。

一方で、従来から、内部に微細な流路が形成されたマイクロチップを用い、マイクロチップ内で検体と試薬との混合や反応、検出（分析）等を行うマイクロタスと呼ばれる分析システム（Micro Total Analysis Systems：μTAS）が知られている。また、このマイクロタスに関する技術として、例えば特許文献２には、音波を発生させて液体の混合を行う技術が開示されている。

特開２００５−１６６１０号公報 特開２００５−２５４１１２号公報

ところで、マイクロチップ内の液体の流動制御に従来の弁機構を適用する場合、微細流路に弁体を設けなければならない。また、弁体を設けることによって微細流路の構成が複雑になり、キャリーオーバーの原因となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、微細流路の構成を変更することなく簡単に微細流路の弁機能を実現可能な流動制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる流動制御装置は、微細流路を流れる液体の流動を制御する流動制御装置であって、前記微細流路の近傍に設けられ、前記微細流路に向けて音波を発生する音波発生手段を備え、前記音波発生手段が発生した音波によって、前記微細流路内に進入した液体に該液体の進入方向と逆向きの音響流を発生させて前記液体の前記進入方向への流動を停止させることを特徴とする。

また、本発明にかかる流動制御装置は、上記の発明において、前記音波発生手段による音波の発生を制御する制御手段を備え、前記制御手段は、前記微細流路内に進入した液体を前記進入方向に流動させ、または前記微細流路内に進入した液体の前記進入方向への流動を停止させることを特徴とする。

また、本発明にかかる流動制御装置は、上記の発明において、前記微細流路に液体を吐出する吐出装置と、前記微細流路を流れた液体を吸引する吸引装置と、を備え、前記制御手段は、前記吐出装置による液体の吐出および前記吸引装置による液体の吸引を制御することを特徴とする。

また、本発明にかかる流動制御装置は、上記の発明において、前記微細流路は、前記液体を保持するチャンバと連通して前記チャンバを外部または他のチャンバと接続する微細流路を含み、前記制御手段は、前記チャンバと連通する微細流路の近傍に設けられた音波発生手段による音波の発生を制御し、前記チャンバと連通する微細流路内の液体に前記音響流を発生させることによって、前記チャンバ内に保持された液体を流動させて攪拌することを特徴とする。

本発明によれば、弁体を設ける等して微細流路の構成を変更することなく簡単に微細流路の弁機能を実現可能な流動制御装置を提供することができるという効果を奏する。

以下、図面を参照し、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。

（実施の形態）
図１は、本実施の形態における流動制御装置１の構成を示すブロック図である。また、図２は、流動制御装置１の構成を説明するための平面図である。本実施の形態の流動制御装置１は、図１に示すように、音波発生手段としての複数のトランスデューサ３（３−１，３−２）と、吐出装置５と、吸引装置７と、これら各部を動作させて流動制御装置１全体を統括的に制御する制御手段としての制御部９とを備える。

この流動制御装置１は、図２に示すチャンバ１０（１０−１，１０−２）と外部、またはチャンバ１０間を接続する微細流路２０（２０−１〜２０−４）を流れる液体の流動を制御するものである。ここで、チャンバ１０および微細流路２０は、例えばガラス基板上に形成されてマイクロチップを構成するものである。なお、マイクロチップは、例えば１回の使用で廃棄することを想定している。

チャンバ１０は、内部に液体を保持する閉空間を有し、この閉空間を微細流路２０と連通する１つまたは複数の開口が形成されて構成される。図２の例では、図２中に向かって左側のチャンバ１０−１は３つの開口を有し、微細流路２０−１，２０−２を介して外部と接続されるとともに、微細流路２０−３を介して右側のチャンバ１０−２と接続されている。一方、チャンバ１０−２は２つの開口を有し、一方は微細流路２０−３と連通する。また、チャンバ１０−２は、他方の開口によって微細流路２０−４と連通し、外部と接続されている。

そして、微細流路２０−１および微細流路２０−２は、外部から導入された液体をチャンバ１０−１内に導き、またはチャンバ１０−１内の液体を外部に導く。同様に、微細流路２０−４は、外部から導入された液体をチャンバ１０−２内に導き、またはチャンバ１０−２内の液体を外部に導く。また、微細流路２０−３は、チャンバ１０−１内の液体をチャンバ１０−２内に導き、またはチャンバ１０−２内の液体をチャンバ１０−１内に導く。

トランスデューサ３は、微細流路２０に向けて音波を発生することによって微細流路２０を流れる液体に音響流を発生させる。例えば、供給される電力を表面弾性波（ＳＡＷ）に変換するＳＡＷ素子や、バルク音波（ＢＡＷ）に変換するＢＡＷ素子等で実現される。このトランスデューサ３は、マイクロチップに形成される所望の微細流路２０近傍の適所に配置されるものであり、図２の例では、微細流路２０−２の下方および微細流路２０−３の下方にそれぞれ位置するように２つのトランスデューサ３−１，３−２が配置されている。

吐出装置５は、分析対象の検体や分析に用いる試薬等の液体をマイクロチップ内部に導入するためのものであり、微細流路２０と外部とを連通するマイクロチップの開口部で吐出動作を行って微細流路２０に液体を吐出する。吸引装置７は、マイクロチップ内部の液体を排出するためのものであり、前述の開口部で吸引動作を行って微細流路２０を流れた液体を吸引する。

そして、制御部９は、吐出装置５の吐出動作や吸引装置７の吸引動作を制御してマイクロチップに対する液体の導入および排出を制御するとともに、トランスデューサ３の動作を個別に制御し、微細流路２０を流れる液体の流動制御処理を行う。

ここで、トランスデューサ３を駆動（ＯＮ）すると、このトランスデューサ３が発生する音波によって微細流路２０を流れる液体に音響流が発生する。図３は、微細流路２０を流れる液体Ｌの流動制御を説明する説明図であり、微細流路２０の一部断面図を示している。例えば、図３中に矢印Ａ１１で示すように、微細流路２０の左側から液体Ｌが進入してきた場合を説明する。この場合、トランスデューサ３が発生した音波の一部が矢印Ａ１３で示すように液体Ｌに伝播し、液体Ｌ中にこの液体Ｌの流れに逆らう矢印Ａ１１で示す進入方向と逆向きの音響流が発生する。この結果、微細流路２０の右側への液体Ｌの進入が妨げられ、液体Ｌの矢印Ａ１１で示す進入方向への流動が停止される。

図４および図５は、流動制御処理の手順を説明する説明図である。図４では、外部から導入された液体を微細流路２０−１によってチャンバ１０−１へと導き（Ａ２１）、このチャンバ１０−１内の液体を微細流路２０−２によって外部へと導く（Ａ２３）様子を示している。一方、図５では、外部から導入された液体を微細流路２０−４によってチャンバ１０−２へと導き（Ａ３１）、微細流路２０−３によってチャンバ１０−１に導いた後（Ａ３３）、このチャンバ１０−１内の液体を微細流路２０−１によって外部へと導く（Ａ３５）様子を示している。

図４において、制御部９は、吐出装置５を制御し、微細流路２０−１の他端側で吐出動作させることによって第１の液体を微細流路２０−１に吐出し、マイクロチップ内部に第１の液体を導入する。また、制御部９は、吸引装置７を制御し、微細流路２０−２の他端側で吸引動作させることによって微細流路２０−２を流れた第１の液体を吸引し、マイクロチップ内部の第１の液体を排出する。さらにこのとき、制御部９は、トランスデューサ３−１をＯＦＦした状態でトランスデューサ３−２をＯＮする。

ここで、微細流路２０−１を経てチャンバ１０−１内に進入した第１の液体は、微細流路２０−２内および微細流路２０−３内にそれぞれ進入するが、このうちの微細流路２０−３に進入した第１の液体に、ＯＮされたトランスデューサ３−２によって微細流路２０−３に向けて発生された音波が伝播する（Ａ２５）。この結果、図３に示した原理によって、微細流路２０−３に進入した第１の液体の進入方向への流動が停止される。一方、トランスデューサ３−１はＯＦＦであり、微細流路２０−２に進入した第１の液体はそのまま進入方向へと流動して他端側から外部に排出される。最終的に、チャンバ１０−１内に第１の液体が充填されるが、微細流路２０−３に進入した第１の液体がチャンバ１０−２内に進入しないため、チャンバ１０−２が第１の液体で汚染されない。

また、図５において、制御部９は、吐出装置５を制御し、微細流路２０−４の他端側で吐出動作させることによって第２の液体を微細流路２０−４に吐出し、マイクロチップ内部に第２の液体を導入する。また、制御部９は、吸引装置７を制御し、微細流路２０−１の他端側で吸引動作させることによって微細流路２０−１を流れた第２の液体を吸引し、マイクロチップ内部の第２の液体を排出する。さらにこのとき、制御部９は、トランスデューサ３−２をＯＦＦにした状態でトランスデューサ３−１をＯＮする。

このとき、微細流路２０−４を経てチャンバ１０−２内に進入した第２の液体は、微細流路２０−３に進入する。トランスデューサ３−２はＯＦＦであり、微細流路２０−３に進入した第２の液体はそのまま進入方向へと流動し、第１の液体が充填されたチャンバ１０−１内に進入する。そして、チャンバ１０−１内に進入した第１の液体および第２の液体を含む液体は、微細流路２０−１および微細流路２０−２に進入するが、このうちの微細流路２０−２に進入した液体に、ＯＮされたトランスデューサ３−１によって微細流路２０−２に向けて発生された音波が伝播する（Ａ３７）。この結果、図３に示した原理によって、微細流路２０−２に進入した液体の進入方向への流動が停止される。一方、微細流路２０−１に進入した液体はそのまま進入方向へと流動して他端側から外部に排出される。

以上説明したように、本実施の形態によれば、トランスデューサ３のＯＮ／ＯＦＦを切り換えて音波の発生を制御することによって、対応する微細流路２０内の液体を進入方向へと流動させ、または対応する微細流路２０内の液体の進入方向への流動を停止させることができる。これによれば、マイクロチップ内部に導入した液体が流れる微細流路２０を簡単に切り換えることができる。したがって、弁体を設ける等して微細流路の構成を変更することなく簡単に微細流路２０の弁機能を実現することができるという効果を奏する。

なお、上記した実施の形態では、トランスデューサ３が発生する音波によって液体の流動を制御する場合について説明したが、トランスデューサ３が発生する音波をチャンバ１０内の液体の混合・攪拌に利用することもできる。

図６および図７は、変形例における流動制御処理の手順を説明する説明図である。なお、図６および図７において、上記した実施の形態と同様の構成には同一の符号を付している。図６では、外部から導入された液体を微細流路２０−４によってチャンバ１０−２へと導き（Ａ４１）、チャンバ１０−２内に液体を充填する様子を示している。一方、図７では、チャンバ１０−２内に充填された液体を攪拌する様子を示している。本変形例では、微細流路２０−４の下方にさらにトランスデューサ３−３を配置して、流動制御装置を構成している。

図６において、制御部９は、吐出装置５を制御し、微細流路２０−４の他端側で吐出動作させることによって第３の液体を微細流路２０−４に吐出し、マイクロチップ内部に第３の液体を導入する。さらにこのとき、制御部９は、トランスデューサ３−１および３−３をＯＦＦした状態でトランスデューサ３−２をＯＮする。

トランスデューサ３−３がＯＦＦであるので、微細流路２０−４の他端側から進入した第３の液体はそのまま進入方向へと流動し、チャンバ１０−２内に進入する。このようにしてチャンバ１０−２内に進入した第３の液体は微細流路２０−３内に進入するが、この微細流路２０−３に進入した第３の液体に、ＯＮされたトランスデューサ３−２によって微細流路２０−３に向けて発生された音波が伝播する（Ａ４３）。この結果、上記した実施の形態で図３に示した原理によって、微細流路２０−３に進入した第３の液体の進入方向への流動が停止される。そして、最終的に、チャンバ１０−２内に第３の液体が充填される。このとき、微細流路２０−３に進入した第３の液体がチャンバ１０−１内に進入しないため、チャンバ１０−１が第３の液体で汚染されない。

また、図７において、制御部９は、トランスデューサ３−２をＯＮにしたままでトランスデューサ３−３をＯＮする。

この結果、微細流路２０−４内の第３の液体には、ＯＮされたトランスデューサ３−３によって微細流路２０−４に向けて発生された音波が伝播し（Ａ４５）、この微細流路２０−４内の第３の液体に、進入方向と逆向きすなわちチャンバ１０−２内に逆流する向きの音響流が発生する。一方、微細流路２０−３内の第３の液体には、引き続きＯＮされたトランスデューサ３−２によって微細流路２０−３に向けて発生された音波が伝播しており（Ａ４３）、この微細流路２０−３内の第３の液体に、進入方向と逆向きすなわちチャンバ１０−２内に逆流する向きの音響流が発生している。そしてこの音響流が、チャンバ１０−２内に充填・保持された液体を流動して攪拌する。

本変形例によれば、上記した実施の形態と同様の効果を奏するとともに、トランスデューサ３によって発生される音波をチャンバ１０内に充填・保持された液体の攪拌に利用できる。したがって、攪拌装置を別途設けることなく、微細流路２０の流動制御に用いるトランスデューサ３を用いてチャンバ１０内の液体の攪拌が行える。ここで、チャンバ１０内の液体を攪拌する場合には、そのチャンバ１０と連通する微細流路２０の近傍に設けられたトランスデューサ３を全てＯＮすればよい。例えば、図６中左側のチャンバ１０−１内の液体を攪拌したい場合には、微細流路２０−１の近傍にトランスデューサを設けて流動制御装置を構成する。そして、チャンバ１０−１内に液体を充填した後、微細流路２０−２および２０−３の近傍にそれぞれ設けられたトランスデューサ３−１および３−２と、微細流路２０−１に新たに設けたトランスデューサとをＯＮすればよい。

また、上記した実施の形態では、管状に形成された微細流路２０について例示したが、これに限定されるものではなく、上部が開口した溝状の流路にも同様に適応できる。

また、上記した実施の形態では、微細流路２０の下方にトランスデューサ３を配置した場合を例示したが、微細流路の上方や側方等、微細流路の近傍位置に適宜配置できる。

また、マイクロチップに形成されるチャンバの数および各チャンバ間を接続する微細流路の構成は適宜設定でき、流動制御装置は、所望の微細流路の近傍にトランデューサを配置することで構成できる。

流動制御装置の構成を示すブロック図である。 流動制御装置の構成を説明するための平面図である。 微細流路を流れる液体の流動制御を説明する説明図である。 流動制御処理の手順を説明する説明図である。 流動制御処理の手順を説明する他の説明図である。 変形例における流動制御処理の手順を説明する説明図である。 変形例における流動制御処理の手順を説明する他の説明図である。

符号の説明

１ 流動制御装置
３（３−１，３−２） トランスデューサ
５ 吐出装置
７ 吸引装置
９ 制御部
２０（２０−１〜２０−４） 微細流路
１０（１０−１，１０−２） チャンバ

Claims (4)

1. 微細流路を流れる液体の流動を制御する流動制御装置であって、
   前記微細流路の近傍に設けられ、前記微細流路に向けて音波を発生する音波発生手段を備え、
   前記音波発生手段が発生した音波によって、前記微細流路内に進入した液体に該液体の進入方向と逆向きの音響流を発生させて前記液体の前記進入方向への流動を停止させることを特徴とする流動制御装置。
2. 前記音波発生手段による音波の発生を制御する制御手段を備え、
   前記制御手段は、前記微細流路内に進入した液体を前記進入方向に流動させ、または前記微細流路内に進入した液体の前記進入方向への流動を停止させることを特徴とする請求項１に記載の流動制御装置。
3. 前記微細流路に液体を吐出する吐出装置と、
   前記微細流路を流れた液体を吸引する吸引装置と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記吐出装置による液体の吐出および前記吸引装置による液体の吸引を制御することを特徴とする請求項２に記載の流動制御装置。
4. 前記微細流路は、前記液体を保持するチャンバと連通して前記チャンバを外部または他のチャンバと接続する微細流路を含み、
   前記制御手段は、前記チャンバと連通する微細流路の近傍に設けられた音波発生手段による音波の発生を制御し、
   前記チャンバと連通する微細流路内の液体に前記音響流を発生させることによって、前記チャンバ内に保持された液体を流動させて攪拌することを特徴とする請求項２または３に記載の流動制御装置。

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