JP2015112575A

JP2015112575A - マイクロ流体デバイス及びその温度制御方法

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Publication number: JP2015112575A
Application number: JP2013258047A
Authority: JP
Inventors: 大知谷口; Hirotomo Taniguchi
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2013-12-13
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2015-06-22
Also published as: US20150165438A1

Abstract

【課題】マイクロ流体デバイスを構成する流路内の流体の温度を精度良く計測して制御することが可能となるマイクロ流体デバイスを提供する。
【解決手段】抵抗体の抵抗値と温度測定領域である着目領域の温度とが対応付けられている関係式１における抵抗体の抵抗値によって、着目領域の温度を制御する制御手段を有するマイクロ流体デバイスであって、
抵抗体は、基体に設けられた流路を流通する流体を加熱するヒーターとしての機能と、流路の温度を測定するセンサーとしての機能を兼ね備えると共に、
流路の近傍に該流路の長手方向に沿って該着目領域より広い領域に亙って設けられ、
抵抗体の長手方向における外側には、周囲温度の変化を測定する温度センサーが配置されており、
温度センサーにより測定された周囲温度の変化を元にして、関係式１における抵抗体の抵抗値が周囲温度の変化による影響を受けることによって見誤る温度を補正し、着目領域の温度を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ流体デバイス及びその温度制御方法に関し、特に微小な流路を持つマイクロ流体デバイスにおいて、化学、生化学、物理化学反応などにより、化学合成、遺伝子検査などを行うためのマイクロ流体デバイス及びその温度制御方法に関する。

従来、微小な流路を持つマイクロ流体デバイスを用いて、化学、生化学、物理化学反応などにより、化学合成、遺伝子検査や研究開発、等が、盛んに行われている。
このようなマイクロ流体デバイスとして、非特許文献１や特許文献１では、マイクロ流路内の流体を微小な流路を持つマイクロ流体デバイス加熱するために、流路と同一の基体内に、ヒーターと温度センサーが配置され、温度センサーによって、ヒーターの出力を制御し、流路の温度を所望の温度になるように制御するマイクロ流体デバイスが開示されている。

図１２を用いて、上記従来例のマイクロ流体デバイスの構成について説明する。
図１２において、１は支持基体、２は流路が形成される基体、３は流路、４は流路内の流体加熱するためのヒーターとしての機能と流路の温度を計測するための機能を兼ねた抵抗体である。
抵抗体の抵抗値は温度によって変化するため、抵抗値の変化によって、温度変化を測定することが可能である。
５は流体の流入口、６は流出口、７は電極配線、８は導通をとるための電極パッド、９は冷却機構であるヒートシンクである。
１０は流路中の温度が制御される、温度測定領域である着目領域である。
流路の流体の温度は、抵抗体４に電圧が印加されジュール加熱で発生した熱の熱伝導によって加熱される。
着目領域１０の温度と抵抗体４の抵抗値との関係は、あらかじめ、適当な電圧を抵抗体４に印加し、そのときの着目領域の温度を赤外放射温度計などで測定し、抵抗体４の抵抗値と対応をとることで求められている。
前記着目領域１０の温度と抵抗体４の抵抗値の関係を用い、抵抗体４の抵抗値から着目領域の温度が制御される。

電気学会論文集Ｅ、Ｖｏｌ１１９−Ｅ，Ｎｏ１０，

特開２００４−３３９０７号公報

上記従来例のヒーターの機能を兼ねた抵抗体を流路の温度を測定するセンサーとして用いるものにおいては、つぎのような課題を有している。
着目領域の流路長手方向の温度を均一にするためには、着目領域に対し、抵抗体を長く配置する必要がある。ここで、流路の温度を測定するセンサーを流路の着目領域の近傍に配置しようとした場合、限られたスペースに複数の流路を配置しようとすると、センサーの配線をレイアウトすることが困難であった。
また、ヒーターの機能を兼ねた抵抗体を流路の温度を測定するセンサーとして用いた場合
、次のような課題が発生していた。

図７のグラフで示すように、ヒーター及び流路の長手方向には温度分布が存在する。
この温度分布は、マイクロ流体デバイスの周囲温度が変わると変化する。温度分布が変化すると、着目領域の温度は変わっていないにも関わらず、抵抗体全体の抵抗値が変化してしまうため、制御装置は着目領域の温度が変化してしまったと判断して、ヒーターの出力に制御をかける。
そうすると、図８で示すように、例えば外部温度ＡからＢに変化すると、制御装置は着目領域の温度が高くなったと見誤ってしまい、着目領域の温度を目的の温度より低く制御してしまう。
マイクロ流路内で行われる化学合成や遺伝子検査においては、温度を高精度に制御する必要があり、わずかな温度の誤制御が上記した化学合成や遺伝子検査に重大な影響を及ぼしてしまう場合が生じる。
本発明は、上記課題に鑑み、マイクロ流体デバイスを構成する流路内の流体の温度を精度良く計測して制御することが可能となるマイクロ流体デバイス及びその温度制御方法の提供を目的とする。

本発明のマイクロ流体デバイスは、抵抗体の抵抗値と温度測定領域である着目領域の温度とが対応付けられている関係式１における前記抵抗体の抵抗値によって、前記着目領域の温度を制御する制御手段を有するマイクロ流体デバイスであって、
前記抵抗体は、前記マイクロ流体デバイスを構成する基体に設けられた流路を流通する流体を加熱するヒーターとしての機能と、流路の温度を測定するセンサーとしての機能を兼ね備えると共に、
前記着目領域を含む前記流路の近傍に該流路の長手方向に沿って該着目領域よりも広い領域に亙って設けられ、
前記抵抗体の長手方向における外側には、前記周囲温度の変化を測定する温度センサーが配置されており、
前記温度センサーにより測定された前記周囲温度の変化を元にして、前記関係式１における前記抵抗体の抵抗値が周囲温度の変化による影響を受けることによって見誤る温度を補正し、前記着目領域の温度を制御することを特徴とする。
また、本発明のマイクロ流体デバイスの温度制御方法は、抵抗体の抵抗値と温度測定領域である着目領域の温度とが対応付けられている関係式１における前記抵抗体の抵抗値によって、前記着目領域の温度を制御するマイクロ流体デバイスの温度制御方法であって、
前記抵抗体は、前記マイクロ流体デバイスを構成する基体に設けられた流路を流通する流体を加熱するヒーターとしての機能と、流路の温度を測定するセンサーとしての機能を兼ね備えると共に、
前記着目領域を含む前記流路の近傍に該流路の長手方向に沿って該着目領域よりも広い領域に亙って設けられ、
前記抵抗体の長手方向における外側には、前記周囲温度の変化を測定する温度センサーが配置され、
前記温度センサーにより測定された前記周囲温度の変化を元にして、前記関係式１における前記抵抗体の抵抗値が周囲温度の変化による影響を受けることによって見誤る温度を補正し、前記着目領域の温度を制御することを特徴とする。

本発明によれば、マイクロ流体デバイスを構成する流路内の流体の温度を精度良く計測して制御することが可能となるマイクロ流体デバイス及びその温度制御方法を実現することができる。

本発明の実施形態におけるマイクロ流体デバイスの構成例について説明する図。本発明の実施形態におけるマイクロ流体デバイスの構成例について説明する図。本発明の実施形態におけるマイクロ流体デバイスの構成例について説明する図。本発明の実施形態における関係式１を補正する関係式２について説明する図。本発明の実施形態における関係式１を補正するデーターベースについて説明する図。本発明の実施形態における関係式１を補正するデーターベースの一例と補正方法について説明する図。本発明の課題の説明におけるヒーター及び流路の長手方向に散在する温度分布を示す図。本発明の課題である着目領域の見誤りによる誤制御について説明する図。本発明の実施形態における冷却機構の外側の位置では、周囲温度が変化したときの温度分布の差が十分大きくなることを説明する図。本発明の実施例における流路の温度分布を示す図。本発明の比較例における流路の温度分布を示す図。従来例におけるマイクロ流体デバイスについて説明する図。本発明の実施例で行われる補正の概略を説明する図。

つぎに、本発明の実施形態におけるマイクロ流体デバイス及びその温度制御方法の構成例について説明する。
本実施形態のマイクロ流体デバイスは、抵抗体の抵抗値と温度測定領域である着目領域の温度とが対応付けられている関係式１を用い、前記抵抗体の抵抗値により着目領域の温度を制御する際、前記抵抗体の抵抗値が周囲温度の変化による影響を受けることによって見誤る温度を補正し、前記着目領域の温度を制御する制御手段を備えている。
その際、前記抵抗体は、前記マイクロ流体デバイスを構成する基体に設けられた流路を流通する流体を加熱するヒーターとしての機能と、流路の温度を測定するセンサーとしての機能を兼ね備えると共に、
前記着目領域を含む前記流路の近傍に該流路の長手方向に沿って該着目領域よりも広い領域に亙って設けられている。
また、前記抵抗体の長手方向における外側には、前記周囲温度の変化を測定する温度センサーが配置されている。
そして、前記制御手段は、前記温度センサーにより測定された前記周囲温度の変化を元にして、前記関係式１における前記抵抗体の抵抗値が周囲温度の変化による影響を受けることによって見誤る温度を補正し、前記着目領域の温度を制御するように構成されている。

以下に、図１〜図３を用いて、その具体的な構成について説明する。
図１〜図３において、１は支持基体、２は流路が形成された基体、３は流路、４は流路内の流体を加熱するヒーターとしての機能と温度を測定するためのセンサーとしての機能を兼ねた抵抗体、５は流体の流入口、６は流出口である。
７は電極配線であり、８は導通をとるための電極パッドである。９はヒートシンクなど基体を冷却するための冷却機構（冷却手段）である。
１０は温度が制御される着目領域、１１は、周囲温度の変化を測定するためのセンサーである。１２は９のセンサーが配置される領域を示す。
図１〜図３のそれぞれにおいて、流路と、流路内の流体を加熱制御するためのヒーター兼センサー抵抗体は、それらの長手方向に並行に配置されている。

図１で示すマイクロ流体デバイスは、センサー１１が、抵抗体４の長手方向の外側に配置されている。
図２で示すマイクロ流体デバイスは、センサー１１が、抵抗体４の長手方向の冷却機構の外側に配置されている。図９で示すように、冷却機構の外側の位置では、周囲温度が変化したときの温度分布の差が十分大きくなる。
これは、冷却機構の内側では、冷却機構への熱伝導が大きくなり、温度分布が均一化されるためである。
よって、センサー１１を冷却機構の外側に配置することで、周囲温度の変化に対する感度が高くなり、周囲温度の変化の測定精度が高まる。
図３で示すマイクロ流体デバイスは、センサー１１が、抵抗体４の長手方向の基板端部に配置されている。図９で示すように、基板端部が最も周囲温度の変化に対する感度が高く、周囲温度の変化の測定精度が高まる。
支持基体としては、おもに石英のようなガラス材料が用いられるが、シリコンやセラミックスのようなガラス以外の材料が用いられる場合もある。抵抗体には、白金や酸化ルテニウムのような金属が用いられる。電極配線には、金やアルミニウムのような金属が用いられる。センサーには、白金などが用いられる。

つぎに、本実施形態におけるマイクロ流体デバイスの温度制御方法について説明する。図１〜図３に示すマイクロ流体デバイスの、流体の流入口５および流出口６には、インターフェース用のチューブが接続され、外部ポンプにより流体が流入および流出される。
基体内部に設けられた流路内の流体は、抵抗体４に電圧を印加することで発生したジュール熱によって加熱される。
あらかじめ、着目領域の温度と抵抗体４との関係はキャリブレーションされ、以下に示す関係式１として保存されている。
［関係式１］

Ｒ＝ｋ０＋ｋ１×Ｔ

Ｒは抵抗体４の抵抗値、Ｔは着目領域の温度、ｋ０とｋ１は係数である。
関係式１は、適当な電圧を抵抗体４に印加し、そのときの着目領域の温度を赤外放射温度計などで測定し、抵抗体４の抵抗値と対応をとることでキャリブレーションされる。
抵抗体４の抵抗値より、流路の温度を求め、目的の温度となるように、抵抗体４に印加する電圧が設定される。図１〜図３で示すセンサー１１の測定値に応じて、着目領域の温度と抵抗体４の抵抗値の関係式１が補正される。

つぎに、上記関係式１を補正する第一の方法について以下に説明する。
センサー１１で測定される温度と、関係式１の係数（ｋ₀及び、ｋ₁）との関係式である関係式２は、あらかじめ、測定または数値シミュレーションから導きだされ、制御装置に保存されている。
図４は、センサー１１の測定温度と関係式１の係数（ｋ₀及び、ｋ₁）との関係式２をグラフ化したものである。
センサー１１の周囲温度測定値と関係式２より関係式１が補正され、補正された関係式１と抵抗体４の抵抗値によって、着目領域の温度が制御される。

上記関係式１を補正する第二の方法について以下に説明する。
センサー１１で測定される温度と、その温度に対応した、複数の関係式１における前記抵抗体の抵抗値と前記着目領域の温度とを対応付けるための係数（ｋ₀及び、ｋ₁）が、あらかじめ測定または数値シミュレーションから導きだされ、前記温度センサーで測定された温度と関係付けられ、データーベースとして制御装置に保存されている。
図５はデーターベースの例を示す。
データーベースのうち、センサー１１で測定される温度に最も近い値が、補正値として適応され、関係式１の係数（ｋ₀及び、ｋ₁）が補正される。
補正された関係式１と抵抗体４の抵抗値によって、着目領域の温度が制御される。

上記関係式１を補正する第三の方法について以下に説明する。
センサー１１で測定される温度と、その温度に対応した、関係式１の係数（ｋ₀及び、ｋ₁）が、あらかじめ測定または数値シミュレーションから導きだされ、データーベースとして制御装置に保存されている。
センサー１１で測定された温度における関係式１の係数が、データーベースのデータの内挿によって補正される。
図６はデーターベースの一例と補正方法の概略図を示す。補正された関係式１と抵抗体４の抵抗値によって、着目領域の温度が制御される。

以下に本発明の実施例について説明する。
本実施例においては、支持基体１、流路２を備える図１に示す構造のマイクロ流体デバイスを、つぎのようにして形成した。
材料は熱伝導率が２０℃で１．４Ｗ／ｍ／Ｋ程度である合成石英基板を用いた。
支持基体１には、まずヒーター兼センサー抵抗体４と、センサー１１を形成した。抵抗体は、白金を厚さ１００ｎｍ程度スパッタリング法によって成膜し、フォトリソグラフィー法によって幅３００ｕｍ程度に形成した。
１１のセンサーは、９の冷却機構であるヒートシンクの外側位置に配置した。
９のヒートシンクは熱伝導性両面テープによって、支持基体１に接着された。
続いて、抵抗体４の電極配線としてチタン−金−チタンを連続的にスパッタリング法によって３００ｎｍ程度成膜後にフォトリソグラフィー法によってパターニングし形成した。続いて、絶縁層として酸化シリコンを１ｕｍ程度スパッタリング法によって成膜した。続いて７の電極配線、８の電極パッドを形成した。
さらに、絶縁層として酸化シリコンを１ｕｍ程度スパッタリング法によって成膜した。２の流路基体には、サンドブラストによって幅２００ｕｍ程度、深さ１００ｕｍ程度の流路を形成した。基体１と基体２を接合し、マイクロ流体デバイスを完成させた。

本実施例では、遺伝子の増幅反応であるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ：ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅｃｈａｉｎｒｅａｃｔｉｏｎ）を実施した。
ＰＣＲとは、ある特定領域のＤＮＡを増幅させる方法である。
マイクロ流体装置でのＰＣＲ反応は、ＰＣＲ溶液をマイクロ流路デバイスの流路に導入し、流路内の流体に温度サイクルをかけることで実施される。
ＰＣＲ溶液には、増幅対象ＤＮＡ、プライマー、ＤＮＡポリメラーゼ、バッファー溶液のような成分が含まれている。
まず、反応液を９４℃程度に加熱し、２本鎖ＤＮＡを１本鎖に分かれさせる。
次に、５０℃程度にまで急速冷却し、その１本鎖ＤＮＡにプライマーを結合させる、アニーリングを行う。
最後に、７０℃まで加熱し、ＤＮＡポリメラーゼを反応させ、ＤＮＡを伸長させる。
このサイクルを繰り返すことで、ＤＮＡは増幅し、一般にｎ回のサイクルで２ⁿ倍に増幅すると言われている。
図１に示すマイクロ流体デバイスの、流体の流入口９および流出口１０には、インターフェース用のチューブが接続され、外部ポンプによりＰＣＲ反応溶液を流入および流出した。

本実施例で用いたマイクロ流体装置は、着目領域１０の温度と抵抗体４の関係式１を補正するための補正装置と、関係式１を用い抵抗体４に印加するパワーを制御する制御装置によって構成されている。
図１３に本実施例で行われる補正の概略を示す。
あらかじめ、関係式１は、適当な電圧を抵抗体４に印加し、そのときの着目領域１０の温度を赤外放射温度計などで測定し、抵抗体４の抵抗値と対応をとることでキャリブレーションされる。
センサー１１で測定される温度と関係式１との関係式２が演算装置に保存されている。センサー１１で測定された温度の値は、演算装置にわたされる。演算装置では、関係式２より関係式１が補正される。制御装置では補正された関係式１と抵抗体４の抵抗値によって、ＰＩＤ制御で抵抗体４に投入するパワーが調整され、流路の着目領域の温度が制御される。

図１０は、本実施例における、流路の温度分布を示している。
周囲温度が変わっても、着目領域の温度は変化せず、温度の誤制御が抑制された。本実施例のマイクロ流体装置を用いて実施したＰＣＲ反応では、ＰＣＲ収率が、ほぼ期待された値に対して１００％に近い値であった。

［比較例］
比較例において用いたマイクロ流体デバイスについて、図１２を用いて説明する。
マイクロ流体デバイスは、実施例と同様な方法で形成されたが、図１に示すセンサー１１は形成されていない。
本比較例においてＰＣＲ反応を実施した。
本比較例で用いたマイクロ流体装置は、着目領域１０の温度と抵抗体４の関係式１によって、抵抗体４に印加するパワーを制御する制御装置によって構成されている。
あらかじめ、関係式１は、適当な電圧を抵抗体４に印加し、そのときの着目領域１０の温度を赤外放射温度計などで測定し、抵抗体４の抵抗値と対応をとることでキャリブレーションされる。
制御装置では関係式１と抵抗体４の抵抗値によって、ＰＩＤ制御で抵抗体４に投入するパワーが調整され、流路の着目領域の温度が制御される。
図１１は、本比較例における、流路の温度分布を示している。
周囲温度が変わると、温度の誤制御が発生し目標の温度から異なる温度となってしまった。
本実施例のマイクロ流体装置を用いて実施したＰＣＲ反応では、周囲温度がキャリブレーションした時の温度２０℃から、４０℃に変化してしまったため、ＰＣＲ収率が期待された値の５０％程度であった。
以上で説明した本発明のマイクロ流体デバイス及びその温度制御方法は、加熱または冷却工程を伴う、化学合成、環境分析、臨床検体分析を実施するための、マイクロ流体デバイスに利用することができる。

１：基体
２：流路基体
３：流路
４：ヒーター兼センサー抵抗体
５：流入口
６：流出口
７：電極
８：電極パッド
９：冷却機構（冷却手段）
１０：着目領域
１１：周囲温度の変化を測定するセンサー
１２：センサー１１が配置される領域

Claims

抵抗体の抵抗値と温度測定領域である着目領域の温度とが対応付けられている関係式１における前記抵抗体の抵抗値によって、前記着目領域の温度を制御する制御手段を有するマイクロ流体デバイスであって、
前記抵抗体は、前記マイクロ流体デバイスを構成する基体に設けられた流路を流通する流体を加熱するヒーターとしての機能と、流路の温度を測定するセンサーとしての機能を兼ね備えると共に、
前記着目領域を含む前記流路の近傍に該流路の長手方向に沿って該着目領域よりも広い領域に亙って設けられ、
前記抵抗体の長手方向における外側には、前記周囲温度の変化を測定する温度センサーが配置されており、
前記温度センサーにより測定された前記周囲温度の変化を元にして、前記関係式１における前記抵抗体の抵抗値が周囲温度の変化による影響を受けることによって見誤る温度を補正し、前記着目領域の温度を制御することを特徴とするマイクロ流体デバイス。
前記基体に、該基体を冷却する冷却手段が設けられており、
前記温度センサーが、前記抵抗体の長手方向における前記冷却手段の外側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
前記温度センサーが、前記抵抗体の長手方向における基体の端部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
前記制御手段には、前記抵抗体の抵抗値と前記着目領域の温度とを対応付けるための係数と、前記温度センサーで測定された温度とが関係付けられている関係式２が保存され、
前記関係式２により前記関係式１を補正し、前記着目領域の温度を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
前記制御手段には、前記温度センサーで測定された前記周囲温度の変化に対応した前記関係式１における前記見誤る温度を補正するデータがデーターベースとして保存され、
前記データーベースを用いて前記関係式１を補正し、前記着目領域の温度を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
前記制御手段には、前記温度センサーで測定された前記周囲温度の変化に対応した前記関係式１における前記見誤る温度を補正するデータがデーターベースとして保存され、
前記データーベースのデータを内挿して前記関係式１を補正し、前記着目領域の温度を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
抵抗体の抵抗値と温度測定領域である着目領域の温度とが対応付けられている関係式１における前記抵抗体の抵抗値によって、前記着目領域の温度を制御するマイクロ流体デバイスの温度制御方法であって、
前記抵抗体は、前記マイクロ流体デバイスを構成する基体に設けられた流路を流通する流体を加熱するヒーターとしての機能と、流路の温度を測定するセンサーとしての機能を兼ね備えると共に、
前記着目領域を含む前記流路の近傍に該流路の長手方向に沿って該着目領域よりも広い領域に亙って設けられ、
前記抵抗体の長手方向における外側には、前記周囲温度の変化を測定する温度センサーが配置され、
前記温度センサーにより測定された前記周囲温度の変化を元にして、前記関係式１にお
ける前記抵抗体の抵抗値が周囲温度の変化による影響を受けることによって見誤る温度を補正し、前記着目領域の温度を制御することを特徴とするマイクロ流体デバイスの温度制御方法。
前記基体に、該基体を冷却する冷却手段が設けられ、
前記温度センサーが、前記抵抗体の長手方向における前記冷却手段の外側に配置されることを特徴とする請求項７に記載のマイクロ流体デバイスの温度制御方法。
前記温度センサーが、前記抵抗体の長手方向における基体の端部に配置されることを特徴とする請求項７に記載のマイクロ流体デバイスの温度制御方法。
前記着目領域の温度の制御において、
前記抵抗体の抵抗値と前記着目領域の温度とを対応付けるための係数と、前記温度センサーで測定された温度と、が関係付けられている関係式２を用いて前記関係式１を補正し、該着目領域の温度を制御することを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスの温度制御方法。
前記着目領域の温度の制御において、
前記温度センサーで測定された前記周囲温度の変化に対応した前記関係式１における前記見誤る温度を補正するデータのデーターベースを用いて前記関係式１を補正し、該着目領域の温度を制御することを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスの温度制御方法。
前記着目領域の温度の制御において、
前記温度センサーで測定された前記周囲温度の変化に対応した前記関係式１における前記見誤る温度を補正するデータのデーターベースを前記関係式１に内挿して該関係式１を補正し、該着目領域の温度を制御することを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスの温度制御方法。