JP2019002858A - マイクロ流体デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】流体の分岐流路への秤取や複数の分岐流路への所定量の流体の分注を確実に行なうことを可能とするマイクロ流体デバイスを提供する。
【解決手段】マイクロ流路１１が、主流路１２と、分岐流路１５〜１７とを有し、主流路１２が第１の流路拡大部１２ｄを有し、分岐流路１５〜１７が第２の流路拡大部１５ｃ〜１７ｃを有し、下記の式（１）で示すＴ値について、分岐流路についてのＴ値であるＴＢ値と、主流路についてのＴ値であるＴＥ値との差（ＴＢ−ＴＥ）が５以上である、マイクロ流体デバイス１１。
Ｔ＝｛１／（ｘ^２・Ｒ）｝・（θ／９０）……式（１）
なお、式（１）において、ｘは第１，第２の流路拡大部の開始点における流路幅、Ｒは、第１，第２の流路拡大部における曲面状部分の曲率半径。θは、第１，第２の流路拡大部の開始点及び流路拡大部の終了点を端部とする曲率半径Ｒの円弧に対する中心角を示す。
【選択図】図２

Description

本発明は、合成樹脂の射出成型体を有するマイクロ流体デバイスに関する。

生化学分析などに、マイクロ流体デバイスが種々提案されている。流体を送液し、所定の部分で停止させたりするには、マイクロ流路に送液抵抗が異なる部分を設ける必要がある。下記の特許文献１では、マイクロ流路の流路断面を急激に拡大させる流路拡大部を設けた構造が開示されている。流路拡大部における送液抵抗の増大により、流体を停止させることができるとされている。

特表２００２−５２７２５０号公報

上記マイクロ流体デバイスでは、小型化及び低コスト化を果たすために、合成樹脂の射出成型体が広く用いられている。このような合成樹脂の射出成型体を製造するには、上記流路拡大部の流路が急激に変化する変曲点において、流路内面を曲面状とする必要がある。さもなければ、成型金型から射出成型体を取り出すことが困難となる。

ところが、上記変曲点付近が曲面となった場合、曲面部の曲率半径によって、流体の流れやすさに差が生じる。従って、例えば、主流路に流路拡大部を設け、分岐流路に流路拡大部を設けた場合、分岐流路側に確実に流体を秤取することができないことがあった。すなわち、秤取部としての分岐流路から流体が下流側に流れだすおそれがあった。

また、複数の分岐流路に流体を分注する場合においても、各分岐流路に確実に流体を分注することができないおそれがあった。

本発明の目的は、流体の分岐流路への秤取や複数の分岐流路への流体の分注を確実に行なうことを可能とするマイクロ流体デバイスを提供することにある。

本発明に係るマイクロ流体デバイスは、合成樹脂からなる射出成型体を有し、マイクロ流路が設けられているマイクロ流体デバイスであって、前記マイクロ流路が、分岐部と、分岐部より下流側に設けられており、流路抵抗を増大させる第１の流路拡大部とを有する主流路と、前記主流路の前記分岐部に接続されており、前記分岐部よりも下流側に設けられており、流路抵抗が高められている第２の流路拡大部を有する分岐流路とを備え、前記第１，第２の流路拡大部において流路内面が曲面状とされており、前記第１，第２の流路拡大部の開始点における流路幅をｘ、曲面状の前記流路内面を平面視した場合の曲率半径をＲ、前記第１，第２の流路拡大部の開始点と、前記第１，第２の流路拡大部の終了点とを端部とする半径Ｒの円弧に対する中心角をθとしたときに、下記の式（１）で示されるＴ値について、前記分岐流路についてのＴ値であるＴＢ値と、前記主流路についてのＴ値であるＴＥ値との差が、ＴＢ−ＴＥ≧５を満たしている。

Ｔ＝｛１／（ｘ^２・Ｒ）｝・（θ／９０）……式（１）

本発明に係るマイクロ流体デバイスのある特定の局面では、前記分岐部が複数設けられており、複数の前記分岐部に複数の分岐流路がそれぞれ１対１で接続されており、前記各分岐流路について、ＴＢ−ＴＥ≧１９を満たしている。この場合には、複数の分岐流路に流体を確実に分注することができる。

本発明に係るマイクロ流体デバイスの他の特定の局面では、複数の前記分岐流路の前記第２の流路拡大部同士を連結している連結流路がさらに備えられている。

本発明に係るマイクロ流体デバイスのさらに他の特定の局面では、前記第１の流路拡大部に接続されている廃液部がさらに備えられている。

本発明に係るマイクロ流体デバイスの別の特定の局面では、前記分岐流路に、前記第２の流路拡大部の上流側に連ねられており、前記第２の流路拡大部及び当該分岐流路の残りの部分よりも流路が狭い狭窄部がさらに設けられている。

本発明に係るマイクロ流体デバイスのさらに他の特定の局面では、前記主流路の上流側に設けられた送液手段がさらに備えられている。

本発明に係るマイクロ流体デバイスによれば、射出成型体を有するマイクロ流体デバイスにおいて、分岐流路に所定量の流体を確実に秤取したり、複数の分岐流路に所定量の流体を確実に分注することが可能となる。

本発明の一実施形態に係るマイクロ流体デバイスの外観を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロ流体デバイスのマイクロ流路を説明するための模式的平面図である。 流路幅ｘ、曲率半径Ｒ及び角度θを説明するための模式的平面図である。 流路断面を拡大する方向を示す模式的断面図である。 角度θ＝１２０°の場合の流路拡大部における曲面状部分を説明するための模式的平面図である。 角度θ＝６０°の場合の流路拡大部における曲面状部分を説明するための模式的平面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロ流体デバイスの外観を示す斜視図である。マイクロ流体デバイス１は、合成樹脂の射出成型体からなる基板２を有する。基板２上に、カバーシート３が積層されており、基板２の下面には、ベースシート４が積層されている。カバーシート３及びベースシート４は、エラストマーや無機合成樹脂からなる。基板２内には、マイクロ流路が設けられている。

なお、マイクロ流路とは、液体（マイクロ液体）の搬送に際し、マイクロ効果が生じるような微細な流路をいう。

このようなマイクロ流路では、液体は、表面張力の影響を強く受け、通常の大寸法の流路を流れる液体とは異なる挙動を示す。

マイクロ流路の横断面形状及び大きさは、上記のマイクロ効果が生じる流路であれば特に限定はされない。例えば、マイクロ流路に流体を流す際、ポンプや重力を用いる場合には、流路抵抗を低下させる観点から、マイクロ流路の横断面形状がおおむね長方形（正方形を含む）の場合には、小さい方の辺の寸法で、２０μｍ以上が好ましく、５０μｍ以上がより好ましく、１００μｍ以上がさらに好ましい。マイクロ流体デバイス小型化の観点からは、上記小さい方の辺の寸法で、５ｍｍ以下が好ましく、１ｍｍ以下がより好ましく、５００μｍ以下がさらにより好ましい。また、マイクロ流路の横断面形状がおおむね円形の場合には、直径（楕円の場合には、短径）が、２０μｍ以上が好ましく、５０μｍ以上がより好ましく、１００μｍ以上がさらに好ましい。マイクロ流体デバイス小型化の観点からは、直径（楕円の場合には、短径）は５ｍｍ以下が好ましく、１ｍｍ以下がより好ましく、５００μｍ以下がさらにより好ましい。

一方、例えば、マイクロ流路に流体を流す際、毛細管現象を有効に活用する場合には、マイクロ流路の横断面形状がおおむね長方形（正方形を含む）の場合には、小さい方の辺の寸法で５μｍ以上であることが好ましく、１０μｍ以上であることがより好ましく、２０μｍ以上であることがさらにより好ましく、２００μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以下であることがさらに好ましい。

図２に示すように、マイクロ流路１１は、主流路１２を有する。主流路１２の上流側に送液手段としてのマイクロポンプ１３が設けられている。

主流路１２には、複数の分岐部１２ａ〜１２ｃが設けられている。また、分岐部１２ａ〜１２ｃが設けられている部分よりも下流側に第１の流路拡大部１２ｄが設けられている。第１の流路拡大部１２ｄは、主流路１２の流路断面が急激に拡大する部分である。この第１の流路拡大部１２ｄにより、主流路１２を搬送される流体の送液抵抗が決定されることになる。

第１の流路拡大部１２ｄには、廃液部１４が連ねられている。

上記分岐部１２ａ〜１２ｃには、それぞれ、分岐流路１５〜１７が接続されている。分岐流路１５〜１７は、分岐部１２ａ〜１２ｃに連なる分岐流路本体部１５ａ〜１７ａを有する。分岐流路本体部１５ａ〜１７ａの下流側端部に分岐後流路狭窄部１５ｂ〜１７ｂが連ねられている。分岐後流路狭窄部１５ｂ〜１７ｂの下流側端部に、第２の流路拡大部１５ｃ〜１７ｃが連ねられている。第２の流路拡大部１５ｃ，１６ｃ，１７ｃの下流側端部が連結流路１８に連結されている。また、上記第１の流路拡大部１２ｄと、連結流路１８とを結ぶように、バイパス流路１９が設けられている。

上記分岐後流路狭窄部１５ｂ，１６ｂ，１７ｂの流路断面の大きさは、第２の流路拡大部１５ｃ，１６ｃ，１７ｃ及び分岐流路１５，１６，１７の残りの部分である分岐流路本体部１５ａ，１６ａ，１７ａの流路断面よりも小さくされている。また、第２の流路拡大部１５ｃ，１６ｃ，１７ｃは、流路断面が急激に拡大する部分であり、それによって各分岐流路１５，１６，１７における流体に送液抵抗を与える。

本実施形態の特徴は、下記の式（１）で示すＴ値について、ＴＢ−ＴＥが、５以上、より好ましくは１９以上とされていることにある。なおＴＢ値は、分岐流路１５，１６，１７の第２の流路拡大部１５ｃ，１６ｃ，１７ｃにおけるＴ値であり、ＴＥ値は、主流路１２の第１の流路拡大部１２ｄにおけるＴ値である。

Ｔ＝｛１／（ｘ^２・Ｒ）｝・（θ／９０）……式（１）

上記Ｔ値を、図３を参照して説明する。図３は、一代表例として分岐流路１５の分岐後流路狭窄部１５ｂと、第２の流路拡大部１５ｃとが連なっている部分を拡大して示す模式的平面図である。ここで、式（１）中の流路幅であるｘとは、第２の流路拡大部１５ｃの開始点１５ｃ１における流路幅（単位はμｍ）をいう。

第２の流路拡大部１５ｃでは、流路断面が次第に大きくなる。ここで、射出成型体からなる基板２を用いているため、射出成型を行なうには、この第２の流路拡大部１５ｃのように、流路の内壁が曲面状であることが必要である。この第２の流路拡大部１５ｃにおいて、曲面状部分を平面視した場合の曲率半径がＲ（単位はμｍ）である。そして、θ（°）は、第２の流路拡大部１５ｃの開始点１５ｃ１と、終了点１５ｃ２とを端部とする、上記半径Ｒの円弧Ｒａに対する中心角である。従って、図３では、θは９０°である。

なお、流路拡大部では、平面視した際に、第２の流路拡大部１５ｃにおいて流路断面が次第に大きくなっているが、図４に矢印Ａ及びＢで示すように上下方向に、さらに矢印Ｃ及びＤで示すように左右方向にも次第に流路断面が大きくなるように変化している。

なお、図３では、角度θ＝９０°であった。図５及び図６に、それぞれ、θ＝１２０°及び６０°の場合の第２の流路拡大部１５ｃの曲面状部分を模式的平面図で示す。図５に示すように、半径Ｒの円弧Ｒａは、開始点１５ｃ１と終了点１５ｃ２とを端部としている。そして、図５では、この円弧Ｒａに対する中心角θは１２０°となっている。また図６では、この円弧Ｒａに対する中心角であるθが６０°である。

マイクロ流体デバイス１では、マイクロ流路１１において、上記ＴＢ−ＴＥが５以上、より好ましくは１９以上とされていることにより、分岐流路１５，１６，１７に、所定量の流体を秤取したり、分岐流路１５，１６，１７に所定量の流体を確実に分注することができる。これを、以下の実験例に基づき説明する。

（実験例１〜１６）
シクロオレフィンポリマーからなる射出成型体である基板２に、カバーシート３及びベースシート４を積層したマイクロ流体デバイス１を用意した。このマイクロ流体デバイス１内に２個の分岐流路１５，１６を有するマイクロ流路１１を様々な寸法で設けた。下記の表１は、第１，第２の流路拡大部１２ｄ，１５ｃ，または１６ｃとして用いられる流路拡大部の設計パラメータを示す。表１のＴ１〜Ｔ３６は、各流路拡大部の番号を示す。

実験例１〜１６として、下記の表２に示すように、第２の流路拡大部及び第１の流路拡大部をＴ番号で示す寸法とし、各マイクロ流体デバイス１を作製した。表２には、ＴＢ値及びＴＥ値を併せて示す。

表２に示すように、例えば実験例１では、分岐流路のＴＢ値は、Ｔ２９の流路拡大部を有しているため、１２５である。他方、実験例１においてＴＥ値は、Ｔ１１の流路拡大部を有しているため、１０．２である。従って、ＴＢ−ＴＥは１１４．８となる。

上記のようにして、ＴＢ−ＴＥが異なる実験例１〜１６のマイクロ流体デバイス１を作製した。

上記マイクロ流体デバイス１内に、接触角９０°の水溶液をマイクロポンプ１３を用いて送液した。２個の分岐流路１５，１６に所定量の流体を分注できた場合は下記の表３に分注時の結果として○を付した。複数の分岐流路１５，１６に、所定量の流体を確実に分注できなかった場合については、×を付した。

表３から明らかなように、ＴＢ−ＴＥが１９以上であれば、分岐流路１５，１６に確実に流体を分注できることがわかる。

（実験例１７〜３２）
次に、上記分岐流路が１個のマイクロ流体デバイスを上記と同様にして作製した。すなわち、主流路に１本の分岐流路１５のみが接続されており、分岐流路１６を有しないことを除いては、上記実験例１〜１６と同様にしてマイクロ流体デバイス１を作製した。この分岐流路のＴＢ値は、それぞれ実験例１〜１６と同様にして、実験例１７〜３２のマイクロ流体デバイス１を作製した。そして、実験例１〜１６と同様に、接触角９０°の水溶液を送液し、１つの分岐流路に５μＬ量の流体が確実に秤取されるか否かを確かめた。この秤取が確実に行なわれた場合には、下記の表４に○を付し、秤取が確実に行なわれなかった場合には、×を付した。

表４から明らかなように、ＴＢ−ＴＥが５以上であれば、１つの分岐流路に所定量の流体を確実に秤取し得ることがわかる。

なお、使用し得る流体については特に限定されないが、接触角が７０°〜１３０°の範囲の流体であれば、上記実験例１〜３２と同様に、本発明に従って流体を確実に秤取あるいは分注し得ることが確かめられている。

１…マイクロ流体デバイス
２…基板
３…カバーシート
４…ベースシート
１１…マイクロ流路
１２…主流路
１２ａ〜１２ｃ…分岐部
１２ｄ…第１の流路拡大部
１３…マイクロポンプ
１４…廃液部
１５〜１７…分岐流路
１５ａ〜１７ａ…分岐流路本体部
１５ｂ〜１７ｂ…分岐後流路狭窄部
１５ｃ〜１７ｃ…第２の流路拡大部
１５ｃ１…開始点
１５ｃ２…終了点
１８…連結流路
１９…バイパス流路

Claims (6)

1. 合成樹脂からなる射出成型体を有し、マイクロ流路が設けられているマイクロ流体デバイスであって、
   前記マイクロ流路が、
   分岐部と、該分岐部より下流側に設けられており、流路抵抗を増大させる第１の流路拡大部とを有する主流路と、
   前記主流路の前記分岐部に接続されており、前記分岐部よりも下流側に設けられており、流路抵抗が高められている第２の流路拡大部を有する分岐流路とを備え、
   前記第１，第２の流路拡大部において流路内面が曲面状とされており、前記第１，第２の流路拡大部の開始点における流路幅をｘ、曲面状の前記流路内面を平面視した場合の曲率半径をＲ、前記第１，第２の流路拡大部の開始点と、前記第１，第２の流路拡大部の終了点とを端部とする曲率半径Ｒの円弧に対する中心角をθとしたときに、下記の式（１）で示されるＴ値について、前記分岐流路についてのＴ値であるＴＢ値と、前記主流路についてのＴ値であるＴＥ値との差が、ＴＢ−ＴＥ≧５を満たしている、マイクロ流体デバイス。
   Ｔ＝｛１／（ｘ^２・Ｒ）｝・（θ／９０）……式（１）
2. 前記分岐部が複数設けられており、複数の前記分岐部に複数の分岐流路がそれぞれ１対１で接続されており、前記各分岐流路について、ＴＢ−ＴＥ≧１９を満たしている、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
3. 複数の前記分岐流路の前記第２の流路拡大部同士を連結している連結流路をさらに備える、請求項２に記載のマイクロ流体デバイス。
4. 前記第１の流路拡大部に接続されている廃液部をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
5. 前記分岐流路に、前記第２の流路拡大部の上流側に連ねられており、前記第２の流路拡大部及び当該分岐流路の残りの部分よりも流路が狭い狭窄部がさらに設けられている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
6. 前記主流路の上流側に設けられた送液手段をさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。

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