JP2015096285A - Micro valve, liquid balancing device, and micro device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロバルブ、液体秤取デバイス、並びに、マイクロデバイスに関する。本発明は、マイクロ流路を流れる液体の流量制御等に有用なものである。 The present invention relates to a microvalve, a liquid weighing device, and a microdevice. The present invention is useful for controlling the flow rate of a liquid flowing through a microchannel.
微量の液体試料を取り扱うことができるマイクロデバイス(マイクロ流路デバイス、マイクロ流体デバイス)が知られている。例えば、手で容易に取り扱い得る大きさの基板(チップ)内に、液体試料等を搬送するためのマイクロ流路が形成され、必要に応じて、試料の導入部、試薬類の保持部、反応槽等が設けられたマイクロデバイスが知られている(例えば、特許文献1,2)。
Microdevices (microchannel devices, microfluidic devices) that can handle a small amount of liquid sample are known. For example, a microchannel for transporting a liquid sample or the like is formed in a substrate (chip) that can be easily handled by hand. If necessary, the sample introduction part, reagent holding part, reaction A microdevice provided with a tank or the like is known (for example,
近年、マイクロデバイスを用いた携帯性に優れる分析装置が、医療現場や環境測定の分野で用いられている。このマイクロデバイスには、サンプル溶液の流量調整用の流量調整デバイスが用いられ、希釈、濃縮などを行い、血液や環境分析等を行うことができる。このような流量調整デバイスは、例えば、下記の特許文献3に開示されている。特許文献3に開示されている流量調整デバイスは、温度変化により膨張又は収縮して体積が変化する変形部を有し、当該変形部を変形させることで、マイクロ流路を流れる液体の流量を調整するものである。
In recent years, an analyzer having excellent portability using a micro device has been used in the medical field and the field of environmental measurement. For this microdevice, a flow rate adjusting device for adjusting the flow rate of the sample solution is used, and it is possible to perform dilution, concentration, etc., and to perform blood and environmental analysis. Such a flow rate adjusting device is disclosed in
またマイクロデバイスを用いて、一定体積の微量液体を秤取することができる技術が知られている(例えば、特許文献4)。 Moreover, the technique which can weigh a trace volume liquid of a fixed volume using a microdevice is known (for example, patent document 4).
特許文献3に記載されている流量調整デバイスでは、デバイスの開閉に加熱部と冷却部の制御が必要となる。しかし、この構成では、熱の伝送の仕方によってはバルブ開閉に時間差が生じ、液体の流量制御が難しくなる。また、この流量調整デバイスでは、熱変化する材料をマイクロ流路内に配置する必要があり、マイクロ流体デバイス自体の作製も難しくなる。
In the flow rate adjustment device described in
上記現状に鑑み、本発明は、液体の流量制御を容易に行うことができるとともに、作製も容易であるマイクロバルブと、当該マイクロバルブを利用した液体秤取デバイス等を提供することを目的とする。 In view of the above-mentioned present situation, an object of the present invention is to provide a microvalve that can easily control the flow rate of a liquid and that can be easily manufactured, a liquid weighing device using the microvalve, and the like. .
上記した課題を解決するための本発明の1つの様相は、マイクロチップに形成されたマイクロ流路に設けられ、その開閉により前記マイクロ流路を流れる液体の流量を制御するマイクロバルブであって、前記マイクロ流路の内壁と一体化していると共に前記マイクロ流路内に張り出した一対の可動片と、前記一対の可動片の間の隙間で構成され、当該隙間の開閉により液体の流量が制御される開閉部とを有し、前記可動片は、マイクロ流路の内壁から前記隙間に至ると共に液体の流れ方向に対して所定の角度を成す傾斜壁を有し、前記傾斜壁同士で挟まれた流路では、液体の流れ方向に沿って流路断面積が漸減しており、前記傾斜壁に対して液体による圧力を付与することにより、前記開閉部が開放して液体が通過可能となり、前記傾斜壁に対して前記圧力を解除することにより前記開閉部が閉塞することを特徴とするマイクロバルブである。 One aspect of the present invention for solving the above problems is a microvalve that is provided in a microchannel formed in a microchip and controls the flow rate of the liquid flowing through the microchannel by opening and closing thereof, It is composed of a pair of movable pieces that are integrated with the inner wall of the microchannel and projecting into the microchannel, and a gap between the pair of movable pieces, and the flow rate of the liquid is controlled by opening and closing the gap. The movable piece has an inclined wall that reaches the gap from the inner wall of the microchannel and forms a predetermined angle with respect to the liquid flow direction, and is sandwiched between the inclined walls. In the flow channel, the cross-sectional area of the flow channel gradually decreases along the flow direction of the liquid, and by applying pressure by the liquid to the inclined wall, the opening and closing part is opened, and the liquid can pass through. On an inclined wall And the switching unit by releasing the pressure is microvalve characterized by obstruction.
本発明は、マイクロチップに形成されたマイクロ流路に設けられるマイクロバルブに関するものである。本発明のマイクロバルブは、マイクロ流路の内壁と一体化した一対の可動片を有しており、当該可動片がマイクロ流路から張り出している。また本発明のマイクロバルブは、当該一対の可動片の間の隙間で構成された開閉部を有しており、当該開閉部によって液体の流量が制御される。さらに本発明のマイクロバルブでは、前記可動片が、マイクロ流路の内壁から前記隙間に至る壁であって、液体の流れ方向に対して所定の角度を成す傾斜壁を有している。そして、傾斜壁に対して液体による圧力を付与することにより、開閉部が開放して液体が通過可能となり、一方、傾斜壁に対して前記圧力を解除することにより開閉部が閉塞する。
本発明のマイクロバルブは液体の圧力によって開閉するものであり、バルブの開閉に加熱や冷却といった操作を必要としない。さらに、バルブの開閉にマイクロ流路の内壁と一体化した可動片を用いているので、マイクロ流路内に別体を設置する必要がなく、マイクロバルブの製作が容易である。
The present invention relates to a microvalve provided in a microchannel formed in a microchip. The microvalve of the present invention has a pair of movable pieces integrated with the inner wall of the microchannel, and the movable pieces protrude from the microchannel. In addition, the microvalve of the present invention has an opening / closing part constituted by a gap between the pair of movable pieces, and the flow rate of the liquid is controlled by the opening / closing part. Furthermore, in the microvalve of the present invention, the movable piece has an inclined wall that extends from the inner wall of the microchannel to the gap and forms a predetermined angle with respect to the liquid flow direction. Then, by applying a pressure by the liquid to the inclined wall, the opening / closing part is opened so that the liquid can pass through. On the other hand, by releasing the pressure on the inclined wall, the opening / closing part is closed.
The microvalve of the present invention opens and closes by the pressure of the liquid, and does not require operations such as heating and cooling to open and close the valve. Furthermore, since a movable piece integrated with the inner wall of the microchannel is used to open and close the valve, it is not necessary to install a separate body in the microchannel, and the microvalve can be easily manufactured.
ここで「マイクロ流路」とは、流路を流れる液体に所謂マイクロ効果が発現する形状寸法に形成されている微細な流路をいう。具体的には、流路を流れる液体が表面張力と毛細管現象の影響を強く受け、通常の寸法の流路を流れる液体とは異なる挙動を示す形状寸法に形成されている微細な流路である。 Here, the “micro flow path” refers to a fine flow path that is formed in a shape and dimension that develops a so-called micro effect in the liquid flowing through the flow path. Specifically, it is a fine channel that is formed in a shape and dimension that exhibits a behavior different from that of a liquid that flows through a normal-sized channel because the liquid flowing through the channel is strongly influenced by surface tension and capillary action. .
好ましくは、前記開閉部が閉塞した状態において、前記傾斜壁と前記マイクロ流路の内壁とが成す角度は、100度以上かつ170度以下である。 Preferably, in a state where the opening / closing part is closed, an angle formed by the inclined wall and the inner wall of the microchannel is not less than 100 degrees and not more than 170 degrees.
かかる構成により、傾斜壁に対して液体による圧力が確実に付与される。 With this configuration, the pressure by the liquid is reliably applied to the inclined wall.
好ましくは、前記可動片は、前記開閉部の出口からマイクロ流路の内壁に至る出口側壁面をさらに有し、出口側壁面に対して液体による圧力を付与しても前記開閉部は開かず、液体が通過できない。 Preferably, the movable piece further includes an outlet side wall surface extending from an outlet of the opening / closing portion to an inner wall of the microchannel, and the opening / closing portion does not open even when a pressure is applied to the outlet side wall surface by the liquid, Liquid cannot pass through.
かかる構成により、一方向のみに液体が通過可能なマイクロバルブが提供される。 Such a configuration provides a microvalve that allows liquid to pass in only one direction.
好ましくは、前記開閉部が閉塞した状態において、前記出口側壁面と前記マイクロ流路の内壁とが成す角度は、90度以下である。 Preferably, in a state where the opening / closing part is closed, an angle formed by the outlet side wall surface and the inner wall of the microchannel is 90 degrees or less.
かかる構成により、液体の逆流がより確実に防止される。 With such a configuration, the backflow of the liquid is more reliably prevented.
好ましくは、前記開閉部は、スリット状である。 Preferably, the opening / closing part has a slit shape.
好ましくは、前記可動片は、可撓性を有する材料で構成されている。 Preferably, the movable piece is made of a flexible material.
かかる構成により、可動片の動作がより容易に行われる。 With this configuration, the movable piece can be operated more easily.
本発明の他の様相は、マイクロチップに設けられ、一定体積の微量液体を量り取るための液体秤取デバイスであって、上記構成のマイクロバルブと、一定体積を有する密閉空間とを有し、前記マイクロバルブを通じて前記密閉空間に液体を導入することにより、一定体積の液体を秤取可能であることを特徴とする液体秤取デバイスである。 Another aspect of the present invention is a liquid weighing device that is provided on a microchip and measures a small volume of liquid, and includes a microvalve having the above-described configuration and a sealed space having a certain volume. A liquid weighing device characterized by being able to weigh a certain volume of liquid by introducing the liquid into the sealed space through the microvalve.
本発明は液体秤取デバイスに係るものである。本発明の液体秤取デバイスは、上記構成のマイクロバルブを有しており、マイクロバルブを通じて一定体積を有する密閉空間に液体を量り取る。かかる構成により、より簡単な構成をもって一定体積の微量液体を秤取することができる。 The present invention relates to a liquid weighing device. The liquid weighing device of the present invention has the microvalve having the above-described configuration, and measures the liquid into a sealed space having a constant volume through the microvalve. With this configuration, it is possible to weigh a small volume of liquid with a simpler configuration.
好ましくは、前記密閉空間はマイクロ流路であり、当該マイクロ流路の両端に前記マイクロバルブが設けられている。 Preferably, the sealed space is a microchannel, and the microvalves are provided at both ends of the microchannel.
本発明の他の様相は、上記構成のマイクロバルブが複数接続された密閉空間を備え、当該密閉空間内に各々のマイクロバルブを通じて液体を導入し、当該密閉空間内で前記液体を混合可能であることを特徴とするマイクロデバイスである。 Another aspect of the present invention includes a sealed space in which a plurality of microvalves having the above-described configuration are connected, and a liquid can be introduced into the sealed space through each microvalve and the liquid can be mixed in the sealed space. This is a microdevice characterized by the above.
本発明のマイクロデバイスは、上記構成のマイクロバルブを利用して、密閉空間内で液体を混合可能なものである。本発明のマイクロデバイスによれば、簡単な操作で微量液体を混合することができる。さらに、マイクロデバイス自体の製作も容易である。 The microdevice of the present invention can mix a liquid in a sealed space using the microvalve having the above-described configuration. According to the microdevice of the present invention, a trace amount liquid can be mixed by a simple operation. Furthermore, it is easy to manufacture the microdevice itself.
好ましくは、前記マイクロチャンバーは平面視において多角形状であり、当該多角形の頂点に前記マイクロバルブが接続されている。 Preferably, the microchamber has a polygonal shape in plan view, and the microvalve is connected to an apex of the polygon.
本発明のマイクロバルブによれば、液体の圧力を利用して開閉できるので、より簡単な操作で微量液体の流量調整等を行うことができる。また、マイクロバルブ自体の製作が容易である。 According to the microvalve of the present invention, since it can be opened and closed using the pressure of the liquid, the flow rate of the trace liquid can be adjusted with a simpler operation. In addition, the microvalve itself can be easily manufactured.
本発明の液体秤取デバイスによれば、マイクロチップ上において、より簡単な構成をもって一定体積の微量液体を秤取することができる。 According to the liquid weighing device of the present invention, it is possible to weigh a small volume of liquid with a simpler configuration on a microchip.
本発明のマイクロデバイスによれば、簡単な操作で微量液体を混合することができる。さらに、マイクロデバイス自体の製作も容易である。 According to the microdevice of the present invention, a trace amount liquid can be mixed by a simple operation. Furthermore, it is easy to manufacture the microdevice itself.
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。ただし、下記の実施形態は単なる例示であり、本発明は下記の実施形態に何ら限定されない。また、各実施形態において参照する図面は、模式的に記載されており、図面に描画された部材等の寸法の比率等は、実際の部材等の寸法の比率等とは異なる場合がある。具体的な部材等の寸法の比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。また、特に断らない限り、下記の説明における上下・左右方向は、図3の姿勢を基準とする。すなわち、フィルム6が上側、フィルム7が下側、マイクロ流路2aが左側、マイクロ流路2bが右側となる姿勢を基準とする。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. However, the following embodiment is merely an example, and the present invention is not limited to the following embodiment. Further, the drawings referred to in each embodiment are schematically described, and the ratio of dimensions of members and the like drawn in the drawings may be different from the ratio of dimensions of actual members and the like. Specific ratios of dimensions of members and the like should be determined in consideration of the following explanation. Unless otherwise specified, the vertical and horizontal directions in the following description are based on the posture shown in FIG. That is, the orientation is such that the
本発明の一実施形態に係るマイクロバルブ1は、図1に示すように、例えばマイクロチップに形成された2つのマイクロ流路2a,2bの間に設けられ、マイクロ流路2aとマイクロ流路2bとの間を通過する液体の流量を制御するものである。本実施形態では、マイクロバルブ1とマイクロ流路2a,2bは、いずれも積層構造を有する平板状のマイクロチップ3内に設けられている。
As shown in FIG. 1, a
図2〜図4に示すように、マイクロチップ3は、平板状の基材5の上面と下面にそれぞれフィルム6とフィルム7が設けられた積層構造を有している。そして、マイクロ流路2a,2bは、基材5に形成された細長いスリット状の開口と、当該開口を上下から挟むフィルム6,7とで形成されている。すなわち、マイクロ流路2a,2bは断面が長方形の筒状であり、2つの側面(側壁23)は基材5で構成され、天面と底面はそれぞれフィルム6とフィルム7で構成されている。
マイクロ流路2a,2bにおける液体の流れ方向は、マイクロ流路2a,2bの側壁23a,23bと平行である。
As shown in FIGS. 2 to 4, the
The flow direction of the liquid in the
マイクロ流路2a,2bの流路径(内径)は、好ましくは50μm以上かつ3mm以下である。マイクロ流路2a,2bの流路長さは、好ましくは1μm以上かつ1000μm以下である。マイクロ流路2aとマイクロ流路2bとは基本的に同じ構成のものであり、マイクロバルブ1によって、1つのマイクロ流路2がマイクロ流路2aとマイクロ流路2bに区分されているともいえる。
The channel diameters (inner diameters) of the
基材5は可撓性の樹脂で構成されている。当該樹脂の例としては、有機シロキサン化合物等が挙げられる。当該有機シロキサン化合物の例としては、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリメチル水素シロキサン、等が挙げられる。
The
フィルム6,7は基材5の上面と下面にそれぞれ設けられている。フィルム6,7の厚みは、好ましくは5μm以上かつ1mm以下であり、より好ましくは10μm以上かつ500μm以下であり、さらに好ましく20μm以上かつ100μm以下である。
フィルム6,7を構成する材料としては、プラスチック樹脂、シリコン樹脂、ガラス、セラミック、シリコンなどが挙げられる。上記樹脂としては、ポリエチレンテレフタラート(PET)、ポリエチレン、ポリエステル・ポリプロピレン・ナイロン、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリカーボネート、エチレン酢酸ビニル共重合体、エチレン−ビニルアルコール共重合体、エチレン−メタクリル酸共重合体、ポリジメチルシロキサン等の有機シロキサン化合物、などが挙げられる。
The
Examples of the material constituting the
マイクロ流路2aとマイクロ流路2bとの間にマイクロバルブ1が設けられている。図2〜図6に示すように、マイクロバルブ1は、一対の可動片10,10と、可動片10,10の間に形成された隙間17(開閉部18)とで主に構成されている。
A
可動片10は、マイクロ流路2の側壁23からマイクロ流路2の内部に張り出している。可動片10は基材5の一部で構成されており、マイクロ流路2の側壁23と一体化している。
可動片10を平面視すると、その上面20及び下面21は略台形状を成している。可動片10の側面は、第一平面11、第二平面12、及び第三平面15の3つの平面からなる。すなわち可動片10は、その側面の3方を第一平面11、第二平面12、及び第三平面15で囲まれている。
The
When the
第一平面(傾斜壁)11は、マイクロ流路2aの側壁23aに繋がる平面である。第一平面11は側壁23aから隙間17に至る平面(壁)であり、図6に示すように、側壁(内壁)23aに対して90度以上の角度α1を成して傾斜している。そのため、一対の第一平面11,11で挟まれた領域(流路)においては、流れ方向(左から右)に沿って流路断面積が漸減している。また平面視において、一対の第一平面11,11間の距離が漸減するテーパ状を成している。
The first plane (inclined wall) 11 is a plane connected to the
第三平面(出口側壁面)15は、マイクロ流路2bの側壁23bに繋がる平面である。第三平面15は、図6に示すように、側壁(内壁)23bに対して90度(直角)あるいは90度よりもやや小さい角度(鋭角)を成している(角度β1)。そのため、第三平面15,15同士の間には流路は形成されていない。第三平面15,15の部分を平面視すると、側壁23bに対して略垂直の線状、あるいは隙間17の部分で折れ曲がった逆「く」字状となっている。
The third plane (exit side wall surface) 15 is a plane connected to the
第二平面12は、第一平面11と第三平面15とで挟まれた位置にある。第二平面12,12は互いに対向しており、かつ平行である。また第二平面12,12は、側壁23a,23bと平行である。
The
2つの可動片10,10における第二平面12,12の間には、スリット状(直線状)の隙間17(開閉部18)が形成されている。ただし、マイクロバルブ1の閉塞時において、第二平面12,12同士は面接触しており、隙間17は実質的に塞がっている。
隙間17の高さは、可動片10の上下方向の長さ(高さ)と等しい。また、隙間17はマイクロ流路2の底面及び天面に対して垂直である。
隙間17は、例えば、打ち抜き歯やカッター等の刃物で切れ目を入れることにより作製することができる。
本実施形態では、第二平面12,12同士が密着及び離間することにより、隙間17(開閉部18)が開閉し、液体の流量が制御される。
Between the
The height of the
The
In the present embodiment, when the
可動片10の上下方向の長さ(高さ)は、マイクロ流路2の上下方向の長さ(深さ)と略等しい。そのため、可動片10の上面20はフィルム6と面接触しており、可動片10の下面21はフィルム7と面接触している。
The vertical length (height) of the
ここで、基材5とフィルム6,7との間の接着は、例えば、接着剤、両面テープ、コロナ/プラズマ処理、等を使用して行うことができる。
ただし、可動片10の上面20とフィルム6とは面接触しているが、両者は接着されていないか、横ずれが許容される程度の弱い接着しかなされていない。そのため、上面20とフィルム6とは面接触しながら横ずれ可能であり、例えば摺動可能である。下面21とフィルム7との間についても同様である。
具体的には、基材5とフィルム6,7との間の上記接着について、接着剤を用いて行うのであれば、上面20とフィルム6との間及び下面21とフィルム7との間には接着剤を塗布しなければよい。両面テープを用いるのであれば、上面20や下面21の形状を打ち抜いた両面テープを使用すればよい。コロナ/プラズマ処理を用いるのであれば、上面20や下面21の部分をマスクで覆えばよい。
Here, adhesion | attachment between the
However, although the
Specifically, if the above-mentioned adhesion between the
次に、マイクロバルブ1の動作と液体の流れとの関係について説明する。
上記したように、本実施形態では、可動片10の第一平面11が、側壁23aに対して90度以上の角度α1を成す傾斜壁となっている。別の表現をすると、隙間17を含み液体の流れ方向(左右方向)に沿う平面X(図2のA−A断面に相当)を想定すると、平面Xと第一平面11とが成す角度α2は、90度未満である(図6)。
一方、本実施形態では、可動片10の第三平面15が、側壁23bに対して90度以下の角度β1を成している。別の表現をすると、上記平面Xと第三平面15とが成す角度β2が90度以上である(図6)。
なお本実施形態では、側壁23a,23bと平面Xとは互いに平行である。
Next, the relationship between the operation of the
As described above, in the present embodiment, the first
On the other hand, in the present embodiment, the third
In the present embodiment, the
本実施形態では、第一平面11が上記構成の傾斜壁となっているので、液体をマイクロ流路2aからマイクロ流路2bに向けて流すと、傾斜壁たる第一平面11に液体による圧力が付与され、図7(a)に示すように、隙間17が押し広げられる方向に力が働く。これにより可動片10,10が、その根元部22を支点として弾性変形し、第二平面12,12が離間して隙間17(開閉部18)が開く。その結果、マイクロ流路2a内の液体が、隙間17を通じてマイクロ流路2bへ移動することができる。すなわち、マイクロ流路2a側から液体による圧力付与を続けることにより、隙間17(開閉部18)が開いた状態が維持され、液体をマイクロ流路2aからマイクロ流路2b側へ移送することができる。
In the present embodiment, since the
一方、この状態から液体による圧力付与を停止すると、図7(b)に示すように、可動片10,10が元の状態に戻り、第二平面12,12が近接及び密着して隙間17(開閉部18)が閉じる。これにより、液体のマイクロ流路2bへの移送を止めることができる。
すなわち、本実施形態のマイクロバルブ1では、マイクロ流路2a側からの液体による圧力付与を調節することにより、隙間17(開閉部18)を開閉することができる。
On the other hand, when the application of pressure by the liquid is stopped from this state, as shown in FIG. 7B, the
That is, in the
なお本実施形態において、第一平面11と側壁23aとが成す角度α1は90度以上であるが、100度以上かつ170度以下であることが好ましく、120度以上160度以下であることがより好ましい。換言すれば、平面Xと第一平面11とが成す角度α2が10度以上かつ80度以下であることが好ましく、20度以上かつ60度以下であることがより好ましい。角度α1が170度以上(角度α2が10度以下)であると、第一平面11の流れ方向(左右方向)の長さが大きくなり、マイクロバルブ1のサイズが必要以上に大きくなってしまう。一方、角度α1が100度以下(角度α2が80度以上)であると、隙間17を押し広げる力が弱くなり、隙間17の開閉が不安定となるおそれがある。
In the present embodiment, the angle α1 formed by the
一方、マイクロ流路2b側に目を移すと、第三平面15は、側壁23bに対して90度(直角)或いは90度より僅かに小さい角度(鋭角)を成している(β1≦90度、β2≧90度)から、マイクロ流路2b側から第三平面15に向けて液体による圧力を付与しても、隙間17(開閉部18)は開かない(図7(c))。逆に、第二平面12,12同士がより近接する方向に力が掛かるので、隙間17(開閉部18)はむしろ積極的に閉じる。
On the other hand, when the eyes are moved to the
このように、本実施形態では、マイクロバルブ1によって液体の流れが一方向に制限され、マイクロバルブ1は逆止弁として機能することができる。
Thus, in the present embodiment, the liquid flow is restricted in one direction by the
なお本実施形態では、第三平面15と側壁23bとがなす角度β1は90度以下であるが、マイクロ流路2bからマイクロ流路2aへの逆流が起こらない範囲であれば、90度を多少上回ってもよい。一方、角度β1の下限(角度β2の上限)は、第一平面11に係る角度α1、α2と干渉しない範囲であれば、特に限定はない。
In the present embodiment, the angle β1 formed by the
マイクロバルブ1の使用方法について、図8を参照しながら説明する。図8においては、移送対象である液体をハッチングで表している。
まず、マイクロ流路2aに液体を導入していき(図8(a))、隙間17の入口まで充填する(図8(b))。これにより、傾斜壁たる第一平面11,11に液体が接触する。
次に、液体に対して圧力を加える。圧力付与は、例えばマイクロ流路2aに接続した外部のポンプを用いて行うことができる。これにより隙間17が広がり、液体がマイクロ流路2b側へ移送される(図8(c))。
所望量の液体を移送できたら、圧力付与を解除する。例えばポンプを停止させるとともに圧を抜く。これにより隙間17が閉塞し、液体の移送が止まる。以上がマイクロバルブ1の基本動作である。
A method of using the
First, a liquid is introduced into the
Next, pressure is applied to the liquid. The application of pressure can be performed using, for example, an external pump connected to the
When the desired amount of liquid has been transferred, the pressure application is released. For example, the pump is stopped and the pressure is released. As a result, the
上記した実施形態では、傾斜壁がマイクロ流路2a側、すなわち流れ方向の上流側のみに設けられ、逆止弁として機能するマイクロバルブ1を例示したが、下流側にも傾斜壁を設けることができる。図9に示すマイクロバルブ25では、可動片26の第三平面27が第一平面11と同様の傾斜壁となっている。マイクロバルブ25によれば、マイクロ流路2a,2b間の双方向について、液体の流量を制御することができる。マイクロバルブ25の他の構成は、マイクロバルブ1の構成と同じである。
In the embodiment described above, the
上記した実施形態では、開閉部18を全開及び全閉することにより液体の流量制御を行う例を示したが、開閉部18の開度を連続的又は段階的に変化させてもよい。例えば、付与する圧力を調節することにより、開閉部18の開度を調節することができる。
In the above-described embodiment, an example in which the flow rate of the liquid is controlled by fully opening and closing the opening / closing
次に、本発明の液体秤取デバイスの実施形態について説明する。本発明の一実施形態に係る液体秤取デバイス30はマイクロチップに設けられるものであり、上記構成のマイクロバルブ1と同様のマイクロバルブを2個備えている。図10に示すように、液体秤取デバイス30は、マイクロ流路2a、マイクロバルブ1a、密閉空間32、マイクロバルブ1b、及びマイクロ流路2bがこの順番に直列に連結された構造を有している。すなわちマイクロバルブ1a,1bは、密閉空間32の両端に設けられている。
Next, an embodiment of the liquid weighing device of the present invention will be described. A liquid weighing
密閉空間32は、一定体積を有する空間である。本実施形態では、密閉空間32はマイクロ流路2a,2bと同様の細長い筒状である。なお密閉空間32は、マイクロ流路以外、例えば所謂マイクロチャンバーのような形状であってもよい。
The sealed
液体秤取デバイス30を用いて一定体積の液体を量り取る(秤取する)手順について説明する。図11(a)〜(c)においては、液体をハッチングで表している。
まずマイクロ流路2aに秤取対象となる液体を導入する。導入量は、密閉空間32の体積以上とする(図11(a))。
次に、マイクロ流路2aに隣接するマイクロバルブ1aを開放し、密閉空間32に液体を移送する。具体的には、マイクロバルブ1aに液体による圧力を付与し、隙間17を開放する。これにより、隙間17を通じて液体が密閉空間32に導入される。密閉空間32が液体で完全に満たされるまで、液体の移送を続ける(図11(b))。
A procedure for measuring (weighing) a fixed volume of liquid using the
First, a liquid to be weighed is introduced into the
Next, the
密閉空間32が液体で完全に満たされたら、マイクロバルブ1aを閉じる。具体的には、液体に対する圧力付与を解除する。これにより、一定体積の液体が密閉空間32に量り取られる。
When the sealed
次に、マイクロ流路2bに隣接するマイクロバルブ1bを開放し、マイクロ流路2bに液体を移送する。具体的には、密閉空間32内の液体に圧力を加え、マイクロバルブ1bの隙間17を開放する。これにより、隙間17を通じて液体がマイクロ流路2bに導入され、一定体積の液体がマイクロ流路2bに回収される(図11(c))。このようにして、液体秤取デバイス30を用いて一定体積の液体を量り取ることができる。
Next, the
なお、密閉空間32内の液体に圧力を加える方法としては、適宜のポンプを密閉空間32に接続し、これを作動させることが挙げられる。このとき、マイクロバルブ1は逆止弁として機能するから、液体がマイクロ流路2a側に逆流することはない。上記ポンプとしては特に限定されず、ダイヤグラム式のポンプ、電気浸透流式のポンプ、光や熱分解でガスを発生するポンプ、過酸化水素と過マンガン酸ナトリウムによる酸素の発生を利用した化学反応によるポンプ、などを採用することができる。
In addition, as a method of applying pressure to the liquid in the sealed
マイクロ流路2aに液体を導入し、圧力を付与する態様として、図12に示すような構成も可能である。図12に示す構成では、マイクロ流路2aの上流側に、マイクロ流路2aと直交する別のマイクロ流路37が設けられている。そして、マイクロ流路37から分岐するようにマイクロ流路2aの上流側が接続されている。
図12に示す実施形態では、まず、マイクロ流路37に液体を流し、マイクロ流路37の側面から分岐させてマイクロ流路2aに液体を導入する(図12(a))。マイクロバルブ1aの隙間17の入口まで液体を導入できたら、マイクロ流路37に空気を流して、マイクロ流路2a内の液体に圧力を付与する。これにより、マイクロバルブ1aが開放し、液体が密閉空間32に移送される。これにより、一定体積の液体が秤取される。その後の手順は、図11と同様である。
A configuration as shown in FIG. 12 is also possible as a mode in which a liquid is introduced into the
In the embodiment shown in FIG. 12, first, a liquid is caused to flow through the
上記構成の複数のマイクロバルブと少なくとも1つの密閉空間を利用して、微量液体を混合するためのマイクロデバイスを構築することができる。以下、液体混合用のマイクロデバイスの実施形態について説明する。 A micro device for mixing a small amount of liquid can be constructed by using the plurality of micro valves configured as described above and at least one sealed space. Hereinafter, an embodiment of a microdevice for liquid mixing will be described.
図13に示すマイクロデバイス40は、5個のマイクロバルブ41a〜41eと、6個のマイクロ流路42a〜42fとで構成されている。マイクロバルブ41a〜41eは、上記したマイクロバルブ1と同じ構成のものである。マイクロ流路42a〜42fは、上記したマイクロ流路2a,2bと同じ構成のものである。
A
本実施形態では、マイクロ流路42bとマイクロ流路42dは、液体混合用の密閉空間として機能する。
マイクロ流路(密閉空間)42bには、マイクロ流路42aとマイクロ流路42cが、それぞれマイクロバルブ41aとマイクロバルブ41cを介して接続されている。マイクロバルブ41aに関して、液体は、マイクロ流路42aからマイクロ流路42bに向かってのみ移送可能である。マイクロバルブ41cに関して、液体は、マイクロ流路42cからマイクロ流路42bに向かってのみ移送可能である。
In the present embodiment, the
A
マイクロ流路(密閉空間)42dには、マイクロ流路42bとマイクロ流路42eが、それぞれマイクロバルブ41bとマイクロバルブ41eを介して接続されている。マイクロバルブ41bに関して、液体は、マイクロ流路42bからマイクロ流路42dに向かってのみ移送可能である。マイクロバルブ41eに関して、液体は、マイクロ流路42eからマイクロ流路42dに向かってのみ移送可能である。
A
マイクロ流路42dとマイクロ流路42fは、マイクロバルブ41dを介して接続されている。液体は、マイクロ流路2dからマイクロ流路42fに向かってのみ移送可能である。
The
マイクロデバイス40では、マイクロ流路(密閉空間)42bに、マイクロ流路42aとマイクロ流路42cから液体を導入し、混合することができる。例えば、マイクロ流路42a,42cから一定の体積比で各液体を導入し、所望の混合比で液体を混合することができる。導入する液体の体積比(混合比)は、例えば、マイクロバルブ41a,41cからの流入速度の比率を変えることにより、調整することができる。
In the
同様にして、マイクロデバイス40では、マイクロ流路(密閉空間)42dに、マイクロ流路42bとマイクロ流路42eから液体を導入し、混合することができる。混合された液体は、マイクロ流路42fから回収可能である。
Similarly, in the
図14に示すマイクロデバイス50は、5種類の液体を混合可能なものである。マイクロデバイス50は、平面視が星形の十角形(凹多角形)である密閉空間55を有する。そして、5個のマイクロ流路52a〜52eが、マイクロバルブ51a〜51eを介して放射状に密閉空間55に接続されている、接続位置は、内側に突出した5個の頂点(内角が180度以上の頂点)である。マイクロバルブ51a〜51eは、上記したマイクロバルブ1と同じ構成のものである。マイクロバルブ51a〜51eの接続方向は、液体が、マイクロ流路52a〜52eから密閉空間55に向かってのみ移動できる方向である。マイクロ流路52a〜52eは、一定の体積を有する。
The
また、5個のマイクロ流路52f〜52jが、放射状に密閉空間55に接続されている、接続位置は、外側に突出した5個の頂点(内角が180度未満の頂点)である。
Further, the five
また、マイクロ流路52a〜52eには、マイクロバルブ61a〜61eを介して別のマイクロ流路62a〜62eが接続されている。マイクロバルブ61a〜61eも、上記したマイクロバルブ1と同じ構成のものである。マイクロバルブ61a〜61eの接続方向は、液体が、マイクロ流路62a〜62eからマイクロ流路52a〜52eに向かってのみ移動できる方向である。
Further, other
さらに、マイクロ流路52f〜52jには、マイクロバルブ61f〜61jを介して別のマイクロ流路62f〜62jが接続されている。マイクロバルブ61f〜61jも、上記したマイクロバルブ1と同じ構成のものである。マイクロバルブ61f〜61jの接続方向は、液体が、マイクロ流路52f〜52jからマイクロ流路62f〜62jに向かってのみ移動できる方向である。
Furthermore, another
マイクロデバイス50を用いて液体を混合する場合は、まず、マイクロバルブ61a〜61eを介して、マイクロ流路62a〜62eからマイクロ流路52a〜52eに液体を導入して満たす。これにより、一定体積の5種類の液体が秤取される。次に、マイクロバルブ51a〜51eを順番に開放し、各液体を密閉空間55に導入する。これにより、密閉空間55で液体が混合される。
When mixing the liquid using the
次に、密閉空間55に空気を送り込み、マイクロ流路52f〜52jに混合液体を移送する。さらに、マイクロバルブ61f〜61jを介して、混合液体をマイクロ流路62f〜62jに移送する。これにより、混合液体をマイクロ流路62f〜62jに回収できる。
Next, air is sent into the sealed
本発明の対象となる液体としては、水、油、生化学的緩衝液、血液、リンパ液、尿、土壌抽出水、水耕水、等の液体が挙げられる。またマイクロ流路は微小な流路であることから、マイクロ流路内において、上記液体は、例えば液滴であってもよい。 Examples of the liquid subject to the present invention include water, oil, biochemical buffer, blood, lymph, urine, soil extract water, hydroponic water, and the like. Further, since the microchannel is a minute channel, the liquid may be, for example, a droplet in the microchannel.
図12に示す構成からなる液体秤取デバイス30を作製し、液体を流す実験を行った。
基材5は、ソフトリソグラフィーにより、シリコン樹脂(東レダウコーニング製、SILPOT 184)で作製した。マイクロ流路2a,2b及び密閉空間32のサイズは、幅0.5mm、深さ0.5mmとした。可動片10の第一平面(傾斜壁)11の角度α2は20度とした。第三平面15の角度β2は90度とした。
隙間17は、刀歯(幅0.2mm長さ10mm)で加工して作製した。
基材5を上下から挟むフィルム6,7として、シリコン樹脂(東レダウコーニング製、SILPOT 184)を用いた。
基材5とフィルム6,7との接着は、それぞれ基材5の表面にプラズマ処理を行った後、貼り合わせることにより行った。
液体として、リン酸緩衝液を用いた。
A liquid weighing
The
The
Silicone resin (SILPOT 184, manufactured by Toray Dow Corning Co., Ltd.) was used as the
The adhesion between the
A phosphate buffer solution was used as the liquid.
上記した手順により、液体をマイクロ流路37からマイクロ流路2aに導入した。さらに、空気を送り込んでマイクロバルブ1aを開放し、密閉空間32に液体を移送した。密閉空間32を液体で満たした後、マイクロバルブ1bを開放してマイクロ流路2bに液体を移送した。これにより、一定体積の液体をマイクロ流路2bに回収することができた。
The liquid was introduced from the
1 マイクロバルブ
2,2a,2b マイクロ流路
3 マイクロチップ
5 基材
6 フィルム
7 フィルム
10 可動片
11 第一平面(傾斜壁)
15 第三平面(出口側壁面)
17 隙間
18 開閉部
23,23a,23b 側壁(内壁)
25 マイクロバルブ
26 可動片
27 第三平面(傾斜壁)
30 液体秤取デバイス
32 密閉空間
40 マイクロデバイス
41a〜41e マイクロバルブ
42a〜42f マイクロ流路
50 マイクロデバイス
51a〜51j マイクロバルブ
52a〜52j マイクロ流路
55 密閉空間
61a〜61j マイクロバルブ
62a〜62j マイクロ流路
DESCRIPTION OF
15 Third plane (exit side wall surface)
17
25
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記マイクロ流路の内壁と一体化していると共に前記マイクロ流路内に張り出した一対の可動片と、
前記一対の可動片の間の隙間で構成され、当該隙間の開閉により液体の流量が制御される開閉部とを有し、
前記可動片は、マイクロ流路の内壁から前記隙間に至ると共に液体の流れ方向に対して所定の角度を成す傾斜壁を有し、
前記傾斜壁同士で挟まれた流路では、液体の流れ方向に沿って流路断面積が漸減しており、
前記傾斜壁に対して液体による圧力を付与することにより、前記開閉部が開放して液体が通過可能となり、前記傾斜壁に対して前記圧力を解除することにより前記開閉部が閉塞することを特徴とするマイクロバルブ。 A microvalve that is provided in a microchannel formed in a microchip and controls the flow rate of the liquid flowing through the microchannel by opening and closing thereof,
A pair of movable pieces integrated with the inner wall of the microchannel and projecting into the microchannel;
An opening / closing portion configured by a gap between the pair of movable pieces, the flow rate of the liquid being controlled by opening / closing the gap;
The movable piece has an inclined wall that reaches the gap from the inner wall of the microchannel and forms a predetermined angle with respect to the liquid flow direction,
In the flow path sandwiched between the inclined walls, the cross-sectional area of the flow path gradually decreases along the flow direction of the liquid,
By applying a pressure by the liquid to the inclined wall, the opening / closing part is opened to allow liquid to pass through, and by releasing the pressure to the inclined wall, the opening / closing part is closed. A micro valve.
請求項1〜6のいずれかに記載のマイクロバルブと、一定体積を有する密閉空間とを有し、
前記マイクロバルブを通じて前記密閉空間に液体を導入することにより、一定体積の液体を秤取可能であることを特徴とする液体秤取デバイス。 A liquid weighing device provided on a microchip for weighing a small volume of liquid,
The microvalve according to any one of claims 1 to 6 and a sealed space having a constant volume,
A liquid weighing device capable of weighing a fixed volume of liquid by introducing the liquid into the sealed space through the microvalve.
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