JP2010216902A - 電気浸透流ポンプ、およびマイクロ化学チップ - Google Patents

Abstract

【課題】液体をくみ上げることが可能な電気浸透流ポンプ、およびマイクロ化学チップを提供する。
【解決手段】絶縁基板２に形成された流路４の上流側に第１電極７１ａ，７１ｂを配置しかつ下流側に第２電極７２ａ，７２ｂを配置し、第１電極７１ａ，７１ｂおよび第２電極７２ａ，７２ｂ間に印加された電圧に基づいて、流路４内の液体を電気浸透流によって送液する電気浸透流ポンプ７ａ，７ｂであって、絶縁基板２には、当該絶縁基板２の厚み方向Ｔに、複数の微細貫通孔が形成された微細流路部４１が設けられており、第１電極７１ａ，７１ｂは、多孔質構造体からなるポーラス電極であって、微細流路部４１の下面４１ａと接するようにして配置されており、第２電極７２ａ，７２ｂは、多孔質構造体からなるポーラス電極であって、第１電極７１ａ，７１ｂと対向するようにかつ微細流路部４１の上面４１ｂと接するようにして配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、絶縁基板に形成された流路内の液体を電気浸透流によって送液する電気浸透流ポンプ、およびマイクロ化学チップに関する。

近年、絶縁基板に形成された流路内の液体を送液するポンプの一種として、電気浸透流の原理を用いた電気浸透流ポンプが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような電気浸透流ポンプは、例えば、化学処理を行うためのマイクロ化学チップに用いられる（例えば、特許文献２参照）。

特開２００８−７４６７７号公報 特開２００６−２０８１８９号公報

ところで、絶縁基板の厚み方向（垂直方向）に流路が形成された場合、当該流路に液体を送液するためには、電気浸透流ポンプによって、液体を下側から上側へくみ上げる必要がある。しかしながら、上記従来の電気浸透流ポンプでは、安定した強い送液の力を得ることは難しく、液体をくみ上げることは困難であった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、液体をくみ上げることが可能な電気浸透流ポンプ、およびマイクロ化学チップに関する。

上記目的を達成するために本発明における電気浸透流ポンプは、絶縁基板に形成された流路の上流側に第１電極を配置しかつ下流側に第２電極を配置し、前記第１電極および前記第２電極間に印加された電圧に基づいて、前記流路内の液体を電気浸透流によって送液する電気浸透流ポンプであって、前記絶縁基板には、当該絶縁基板の厚み方向に、複数の微細貫通孔が形成された微細流路部が設けられており、前記第１電極は、ポーラス電極であって、前記微細流路部の下面と接するようにして配置されており、前記第２電極は、ポーラス電極であって、前記第１電極と対向するようにかつ前記微細流路部の上面と接するようにして配置されている。

上記目的を達成するために本発明におけるマイクロ化学チップは、絶縁基板と、前記絶縁基板に形成されており、液体を供給するための供給部と、前記絶縁基板に形成されており、前記供給部から供給された液体が流れるための流路とを備えたマイクロ化学チップであって、前記流路への前記液体の送液手段として、本発明に係る電気浸透流ポンプが備えられている。

本発明の電気浸透流ポンプ、およびマイクロ化学チップは、液体をくみ上げることが可能であるという効果を奏する。

図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロ化学チップの一例を示す平面図である。 図２は、図１中に示した切断線Ａ−Ａ´に沿って切断した断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

但し、以下で参照する各図は、説明の便宜上、本発明の一実施形態の構成部材のうち、本発明を説明するために必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。したがって、本発明に係る電気浸透流ポンプ、およびマイクロ化学チップは、本明細書が参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法および各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロ化学チップ１の一例を示す平面図である。図２は、図１中に示した切断線Ａ−Ａ´に沿って切断した断面図である。図１および図２に示すように、本実施形態に係るマイクロ化学チップ１は、絶縁基板２、供給部３、流路４、採取部５、電力供給部６、および電気浸透流ポンプ７を備えている。

ここで、本実施形態に係るマイクロ化学チップ１は、例えば、血液、唾液、尿等の体液中のウイルス、細菌等の生体材料の検査に用いることができる。また、本実施形態に係るマイクロ化学チップ１は、例えば、細菌と薬液との反応実験、血液鑑定、遺伝子の薬液による分離抽出や分解、複数の薬液の混合等にも用いることができる。なお、本実施形態に係るマイクロ化学チップ１は、これら以外の用途にも用いることができる。

絶縁基板２は、複数の絶縁層２ａ〜２ｉが積層されることによって構成される。ここで、絶縁層２ａ〜２ｉは、セラミックス、シリコン、ガラス等の絶縁性材料からなるが、特に、セラミックスからなるのが好ましい。すなわち、絶縁基板２がセラミックスからなる場合には、生体材料との適合性が良好になるとともに、耐薬品性等にも優れることになるからである。セラミックスは、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体、ガラスセラミックス焼結体等である。また、絶縁基板２がセラミックスからなる場合、絶縁基板２に含有されるガラス添加量は、３０重量％以上であるのが好ましい。なおこの理由については、後述する。

なお、本実施形態に係る絶縁基板２は、９つの絶縁層２ａ〜２ｉから構成されている例について説明したが、これに限定されない。すなわち、絶縁基板２は、任意の数の絶縁層から構成されていてもよい。また、絶縁基板２は、必ずしも複数の絶縁層から構成されている必要はなく、１つの絶縁層から構成されていてもよい。但し、絶縁基板２の内層に後述する微細流路部４１を設けるためには、製造容易性の観点から、絶縁基板２は、複数の絶縁層から構成されているのが好ましい。

供給部３は、絶縁基板２に形成されており、液体を供給するための役割を担う部材である。本実施形態においては、供給部３は、第１供給部３ａと、第２供給部３ｂとを含む。第１供給部３ａおよび第２供給部３ｂは、液体を外部から供給できるように、絶縁基板２に貫通孔を形成することによって実現される。

流路４は、絶縁基板２に形成されており、供給部３から供給された液体が流れるための役割を担う部材である。本実施形態においては、流路４は、絶縁基板２の表層のみならず、内層にも形成されている。具体的には、図２に示すように、絶縁基板２には、絶縁基板２の厚み方向（垂直方向、すなわち、図２に示す矢印Ｔ方向）に、複数の微細貫通孔が形成された微細流路部４１が設けられている。なお、複数の微細貫通孔は、微細流路部４１の全体に略同じ程度の割合で形成されていることが好ましい。また、電気二重層を形成するために、微細貫通孔は、微細であればあるほど好ましいが、送液抵抗（送液負荷）を考慮すると、微細貫通孔の径は、２０〜４０μｍであることが好ましい。また、これと同様の理由により、開口率は４０〜５０％であることが好ましい。なお、微細貫通孔の径および開口率は、これに限定されるものではなく、用途等に応じて適宜設定可能である。ここで、開口率とは、微細流路部４の下面４１ａまたは上面４１ｂの面積に対して、微細貫通孔の面積が占める割合である。

ここで、複数の微細貫通孔は、絶縁基板２に対して例えばレーザ（例えば、炭酸レーザ、ＹＡＧレーザ等）や金型による微細加工を施すことによって形成されるが、特に、ＹＡＧ（ヤグ）レーザを用いて形成されるのが好ましい。なおこの理由については、後述する。ここで、ＹＡＧレーザとは、ＹＡＧの結晶を製造する過程でイットリウムを数パーセントのネオジム（Ｎｄ）でドープ（添加）した結晶を用いるレーザである。

合流部Ｃは、第１供給部３ａから供給された液体と、第２供給部３ｂから供給された液体とが合流する箇所である。また、処理部Ｐは、合流部Ｃによって合流された液体を、例えば、図示しないヒータ等によって加熱処理する箇所である。すなわち、合流部Ｃによって合流された液体を加熱処理することによって、化学反応を促進することができる。

採取部５は、絶縁基板２に形成されており、例えば、処理部Ｐによって処理された液体中の反応性物質を採取するための役割を担う部材である。本実施形態においては、採取部５は、液体中の反応性物質を外部へ採り出すことができるように、絶縁基板２に貫通孔を形成することによって実現される。

電圧供給部６は、絶縁基板２に形成されており、電気浸透流ポンプ７に対して電圧を供給するための役割を担う部材である。本実施形態においては、電圧供給部６は、第１電圧供給部６ａと、第２電圧供給部６ｂとを含む。すなわち、第１電圧供給部６ａに正の電圧を、第２電圧供給部６ｂに負の電圧を、図示しない電源装置を用いて印加することにより、電圧供給部６は、電気浸透流ポンプ７に対して電圧を供給することができる。

電気浸透流ポンプ７は、流路４内の液体を電気浸透流によって送液する役割を担う部材である。なお、電気浸透流とは、液体と固体（ここでは、絶縁基板２）とを接触させた際に、液体と固体との界面近傍の液体中に電気二重層が形成され、この電気二重層に電圧を印加することによって、電荷が移動し、これに伴って液体が移動する現象のことをいう。本実施形態においては、電気浸透流ポンプ７は、第１電気浸透流ポンプ７ａと、第２電気浸透流ポンプ７ｂとを含む。

なお、本実施形態に係るマイクロ化学チップ１には、第１電気浸透流ポンプ７ａと、第２電気浸透流ポンプ７ｂとの２つのポンプが備えられている例について説明したが、これに限定されない。すなわち、マイクロ化学チップ１に備えられる電気浸透流ポンプ７の数については、任意である。また、マイクロ化学チップ１に備えられる電気浸透流ポンプ７の位置についても、任意である。

図２に示すように、第１電気浸透流ポンプ７ａは、流路４の上流側に配置された第１電極７１ａと、流路４の下流側に配置された第２電極７２ａとを含む。ここで、第１電極７１ａは、ポーラス電極（多孔質構造体からなる電極）であって、微細流路部４１の下面４１ａと接するようにして配置されている。また、第１電極７１ａは、導体配線６１ａを介して、第１電圧供給部６ａと電気的に接続されている。これにより、第１電極７１ａには、正の電圧が印加されることになる。なお、本実施形態においては、第１電極７１ａの側面に流路４が接続されている。

第２電極７２ａは、ポーラス電極であって、第１電極７１ａと対向するようにかつ微細流路部４１の上面４１ｂと接するようにして配置されている。また、第２電極７２ａは、導体配線６１ｂを介して、第２電圧供給部６ｂと電気的に接続されている。これにより、第２電極７２ａには、負の電圧が印加されることになる。なお、本実施形態においては、第２電極７２ａの側面に流路４が接続されている。

ここで、第１電極７１ａおよび第２電極７２ａにおけるポーラスの径は、微細流路部４１の微細貫通孔の径よりもやや大きい、５０〜１００μｍであることが好ましい。また、開口率は４０〜５０％であることが好ましい。なお、電極７１ａ，７２ａにおけるポーラスの径および開口率は、これに限定されるものではなく、用途等に応じて適宜設定可能である。

すなわち、第１電極７１ａおよび第２電極７２ａは、微細流路部４１を挟むようにして設けられている。このため、第１電極７１ａおよび第２電極７２ａによって、微細流路部４１に対して電圧が印加されることになる。ここで、第１電極７１ａおよび第２電極７２ａは、例えば、電極ペーストにアクリルビーズを混入させ、焼成することによって形成される。電極ペーストにアクリルビーズを混入させ焼成するので、容易に、第１電極７１ａおよび第２電極７２ａを形成することができる。また、絶縁基板２と電極７１ａ，７２ａとを同時焼成することができるので、製造コストを抑制できる。

以上のように、本実施形態に係る第１電気浸透流ポンプ７ａによれば、第１電極７１ａは、微細流路部４１の下面４１ａと接するように、かつ第２電極７２ａは、第１電極７１ａと対向するようにかつ微細流路部４１の上面４１ｂと接するようにして配置されている。このため、電極が微細流路部の下面および上面と接するようにして配置されていない態様と比較して、第１電極７１ａおよび第２電極７２ａ間の距離（電極間距離）を短くすることができる。電極間距離を短くすることができるので、微細流路部４１にかかる電界の力を大きくすることができる。このため、第１電極７１ａおよび第２電極７２ａ間に印加する電圧を高くしなくても、微細流路部４１に対して強い電気浸透流を得ることができる。なお、電極７１ａ，７２ａを微細流路部４１の下面４１ａおよび上面４１ｂと接するようにして配置することができるのは、電極７１ａ，７２ａがポーラス電極だからである。

また、微細流路部４１の複数の微細貫通孔それぞれに電気二重層が形成されるため、微細流路部４１に対して強い電気浸透流を得ることができる。特に、ＹＡＧレーザを用いて複数の微細貫通孔を形成した場合、その他の手段を用いて複数の微細貫通孔を形成した場合と比較して、微細貫通孔の内周面は粗くなる。すなわち、ＹＡＧレーザは、波長が小さくかつ低出力で加工可能なレーザだからである。微細貫通孔の内周面が粗くなるので、液体と微細貫通孔の内周面との接触面積は大きくなる。液体と微細貫通孔の内周面との接触面積が大きくなるので、電気二重層が形成される範囲が広くなる。このため、微細流路部４１に対してより強い電気浸透流を得ることができる。

さらに、絶縁基板２がセラミックスからなり、絶縁基板２に含有されるガラス添加量（例えば、シリカ成分）が３０重量％以上である場合、絶縁基板２に含有されるガラス添加量がイオン反応を起こすことになる。ガラス添加量がイオン反応を起こすので、電気二重層の厚みが大きくなる。電気二重層の厚みが大きくなるので、微細流路部４１に対してより強い電気浸透流を得ることができる。

このように、本実施形態に係る第１電気浸透流ポンプ７ａは、微細流路部４１に対して強い送液の力を得ることができる。また、第１電極７１ａおよび第２電極７２ａは、ポーラス電極であるので、本実施形態に係る第１電気浸透流ポンプ７ａは、第１電極７１ａ、微細流路部４１、および第２電極７２ａの順に、液体を送液することができる。すなわち、本実施形態に係る第１電気浸透流ポンプ７ａは、液体をくみ上げることができる。

また、第２電気浸透流ポンプ７ｂは、流路４の上流側に配置された第１電極７１ｂと、流路４の下流側に配置された第２電極７２ｂとを含む。ここで、第１電極７１ｂは、ポーラス電極であって、微細流路部４１の下面４１ａと接するようにして配置されている。また、第１電極７１ｂは、導体配線６１ａを介して、第１電圧供給部６ａと電気的に接続されている。これにより、第１電極７１ｂには、正の電圧が印加されることになる。なお、本実施形態においては、第１電極７１ｂの側面に流路４が接続されている。

第２電極７２ｂは、ポーラス電極であって、微細流路部４１の上面４１ｂと接するようにして配置されている。また、第２電極７２ｂは、導体配線６１ｂを介して、第２電圧供給部６ｂと電気的に接続されている。これにより、第２電極７２ｂには、負の電圧が印加されることになる。なお、本実施形態においては、第２電極７２ｂの側面に流路４が接続されている。

ここで、第１電極７１ｂおよび第２電極７２ｂにおけるポーラスの径は、微細流路部４１の微細貫通孔の径よりも大きい、５０〜１００μｍであることが好ましい。また、開口率は４０〜５０％であることが好ましい。

すなわち、第１電極７１ｂおよび第２電極７２ｂは、微細流路部４１を挟むようにして設けられている。このため、第１電極７１ｂおよび第２電極７２ｂによって、微細流路部４１に対して電圧が印加されることになる。ここで、第１電極７１ｂおよび第２電極７２ｂは、例えば、電極ペーストにアクリルビーズを混入させ、焼成することによって形成される。

以上のように、本実施形態に係る第２電気浸透流ポンプ７ｂによれば、第１電気浸透流ポンプ７ａと同様、液体をくみ上げることができる。

また、本実施形態に係る電気浸透流ポンプ７は、液体をくみ上げることができるので、水平方向にのみ流路４が形成されている場合と比較して、マイクロ化学チップ１の小型化を図りながら、流路４の長さを稼ぐことができる。

なお、本実施形態においては、第１電極および第２電極の側面に流路が接続されている例について説明したが、これに限定されない。例えば、第１電極の下面全体にわたって流路が接続されていてもよい。また、第２電極の上面全体にわたって流路が接続されていてもよい。このようにすると、流路４を流れる送液量を大きくすることができる。

また、本実施形態においては、電気浸透流ポンプは、マイクロ化学チップに用いられている例について説明したが、これに限定されない。すなわち、電気浸透流ポンプは、マイクロ化学チップ以外の、例えば、燃料電池等にも用いることができる。

すなわち、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。つまり、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

以上のように、本発明は、液体をくみ上げることが可能な電気浸透流ポンプ、またはマイクロ化学チップとして有用である。

１ マイクロ化学チップ
２ 絶縁基板
２ａ〜２ｉ 絶縁層
３ 供給部
３ａ 第１供給部
３ｂ 第２供給部
４ 流路
４１ 微細流路部
７ 電気浸透流ポンプ
７ａ 第１電気浸透流ポンプ
７ｂ 第２電気浸透流ポンプ
７１ａ、７１ｂ 第１電極
７２ａ、７２ｂ 第２電極

Claims (5)

1. 絶縁基板に形成された流路の上流側に第１電極を配置しかつ下流側に第２電極を配置し、前記第１電極および前記第２電極間に印加された電圧に基づいて、前記流路内の液体を電気浸透流によって送液する電気浸透流ポンプであって、
   前記絶縁基板には、当該絶縁基板の厚み方向に、複数の微細貫通孔が形成された微細流路部が設けられており、
   前記第１電極は、ポーラス電極であって、前記微細流路部の下面と接するようにして配置されており、
   前記第２電極は、ポーラス電極であって、前記第１電極と対向するようにかつ前記微細流路部の上面と接するようにして配置されている、電気浸透流ポンプ。
2. 前記絶縁基板は、複数の絶縁層が積層されることによって構成される、請求項１に記載の電気浸透流ポンプ。
3. 前記絶縁基板は、セラミックスからなり、
   前記絶縁基板に含有されるガラス添加量は、３０重量％以上である、請求項１または２に記載の電気浸透流ポンプ。
4. 前記微細流路部に形成された複数の微細貫通孔は、ＹＡＧレーザによって形成される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気浸透流ポンプ。
5. 絶縁基板と、
   前記絶縁基板に形成されており、液体を供給するための供給部と、
   前記絶縁基板に形成されており、前記供給部から供給された液体が流れるための流路とを備えたマイクロ化学チップであって、
   前記流路への前記液体の送液手段として、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気浸透流ポンプが備えられた、マイクロ化学チップ。
   
   

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