JP2020046290A - マイクロチップ用混合装置及び分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】混合能力の高い振動手段を採用しながらも発生する気泡を除去しつつ、流体等をマイクロチップ内部で混合することができる、マイクロチップ用混合装置及びそれを用いる分析装置を提供する。【解決手段】マイクロチップ内で流体を混合するためのマイクロチップ用混合装置１において、前記マイクロチップ内に形成された、前記流体の流路３と、該流路が下部に接続されたチャンバー４と、該チャンバー内の流体に振動を与える振動手段１３と、該振動手段の振動で発生する気泡を消泡させる消泡手段６と、該消泡手段の上端部に配置された気泡抜き孔７とを備えていることを特徴とするマイクロチップ用混合装置を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、微細な流路を有するマイクロチップ内において流体等を混合するためのマイクロチップ用混合装置及びそれを備えた分析装置に関する。

微細加工技術を利用して基板に微細な流路を形成し、流路を流れる流体の分析・検査等を行うマイクロ分析チップ、マイクロ検査チップ、μＴＡＳ（Micro Total Analysis Systems）等といったマイクロチップが実用化されており、チップ以外でもサンプリングキット等各種商品の応用事例がある。

マイクロチップ分野においては、複数の流体等を混合するために、攪拌や振動を用いる各種の混合方法が知られている。

例えば、特許文献１には、ｎｍ〜μｍ単位の寸法で形成された毛細流路を有し前記毛細流路に供給された原料又は試料等の流体を混合又は反応させる微小反応デバイスにおいて、前記流路に超音波振動を伝導する超音波振動子を更に備え、前記超音波振動子は前記超音波振動により前記流路を通過する流体を撹拌することを特徴とする微小反応デバイスが開示されている。

特開２００５−２２４７４６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の超音波等の振動手段による混合は、混合効果は高いが、マイクロチップ等のような流路等の構造が小さい／細い、層流が支配的な状態では気泡が発生する。このため、外部で混合してからマイクロチップへ注入するか、マイクロチップの内部で蛇行する流路を用いて混合することが一般的である。外部での混合は手間がかかるし、蛇行する流路での混合は、混合能力が低いために多くのチップ面積を占有したり、液性や気温に基づいて混合結果が一定しなかったり、そもそも液性が大きく異なる対象は混合できなかったりするという問題があった。

そこで、本発明の目的は、混合能力の高い振動手段を採用しながらも発生する気泡を除去しつつ、流体等をマイクロチップ内部で混合することができる、マイクロチップ用混合装置及びそれを用いる分析装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明者が鋭意研究したところ、混合能力の高い振動手段を、チャンバー、消泡手段、及び気泡抜き孔と組み合わせることにより、発生する気泡を除去しつつ、流体等をマイクロチップ内部で混合することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、マイクロチップ内で流体を混合するためのマイクロチップ用混合装置において、前記マイクロチップ内に形成された、前記流体の流路と、該流路が下部に接続されたチャンバーと、該チャンバー内の流体に振動を与える振動手段と、該振動手段の振動で発生する気泡を消泡させる消泡手段と、該消泡手段の上端部に配置された気泡抜き孔とを備えていることを特徴とするマイクロチップ用混合装置を提供するものである。これによれば、混合能力の高い振動手段を採用しながらも、チャンバー内で発生する気泡は消泡手段で破壊され、これにより生じる気体はチャンバー上端部に配置された気泡抜き孔により外部へ排出されるので、チャンバー内部の流体や泡が外部に漏れることなく、良好に流体を混合することができる。また、流路、チャンバー、消泡手段、及び気泡抜き孔は同一のマイクロチップ内に備えられるので、流体を予め外部で混合してからマイクロチップに注入するという手間がかからない。

また、本発明のマイクロチップ用混合装置において、前記消泡手段は、前記チャンバー上部に形成された、対向する内壁の間隔が上方に向けて狭められるテーパー壁を有し、該テーパー壁の垂線に対する角度θが下記式（１）で示す範囲であることが好ましい。
０°＜θ＜６０° ・・・（１）

さらに、本発明のマイクロチップ用混合装置において、前記テーパー壁の内側面が凹凸形状をなすことが好ましい。

さらに、本発明のマイクロチップ用混合装置において、前記凹凸形状は微粒子のコーティング層からなることが好ましい。

さらに、本発明のマイクロチップ用混合装置において、前記凹凸形状は、円錐状、紡錘状、円錐台状、紡錘台状から選ばれる１種または２種類以上の突起が所定間隔で多数立設された形状であることが好ましい。

さらに、本発明のマイクロチップ用混合装置において、前記振動手段は圧電素子であることが好ましい。

さらに、本発明のマイクロチップ用混合装置において、前記振動手段は、マイクロチップ内にあることが好ましい。

さらに、本発明のマイクロチップ用混合装置において、前記振動手段は、前記マイクロチップ外にあって、前記チャンバーの外壁に接するように配置されたものからなることが好ましい。

さらに、本発明のマイクロチップ用混合装置において、前記消泡手段は、前記チャンバー上部の空間を減圧する減圧手段を更に有することが好ましい。

さらに、本発明のマイクロチップ用混合装置において、前記チャンバー内には予試薬が収容されており、前記流路を介して前記チャンバー内に流体を流入し、前記予試薬と前記流体とを混合することが好ましい。

さらに、本発明は、上記に記載のマイクロチップ用混合装置と、前記チャンバー内で混合された流体を分析する分析手段とを備えていることを特徴とする分析装置を提供するものである。これによれば、混合能力の高い振動手段を採用しながらも、チャンバー内で発生する気泡は消泡手段で破壊され、これにより生じる気体はチャンバー上端部に配置された気泡抜き孔により外部へ排出されるので、チャンバー内部の流体や泡が外部に漏れることなく、良好に流体を混合することができる。その結果、安定性と再現性に優れた分析結果を得ることができる。

本発明のマイクロチップ用混合装置によれば、混合能力の高い振動手段を採用しながらも、チャンバー内で発生する気泡は消泡手段で破壊され、これにより生じる気体はチャンバー上端部に配置された気泡抜き孔により外部へ排出されるので、チャンバー内部の流体や泡が外部に漏れることなく、良好に流体を混合することができる。また、流路、チャンバー、消泡手段、及び気泡抜き孔は同一のマイクロチップ内に備えられるので、流体を予め外部で混合してからマイクロチップに注入するという手間がかからない。

本発明の分析装置によれば、混合能力の高い振動手段を採用しながらも、チャンバー内で発生する気泡は消泡手段で破壊され、これにより生じる気体はチャンバー上端部に配置された気泡抜き孔により外部へ排出され、チャンバー内部の流体や泡が外部に漏れることなく、良好に流体を混合することができるマイクロチップ用混合装置を備えているので、安定性と再現性に優れた分析結果を得ることができる。

本発明の第一実施形態に係るマイクロチップ用混合装置を示す概略図である。 図１のマイクロチップ用混合装置のＡ−Ａ'断面図である。 本発明の第二実施形態に係るマイクロチップ用混合装置であって、消泡手段は内側面が微粒子のコーティング層からなる凹凸形状であるテーパー壁を有し、さらに振動手段がマイクロチップ内にある混合装置における断面図である。 本発明の第三実施形態に係るマイクロチップ用混合装置であって、振動手段がマイクロチップ外にあって、チャンバーの外壁に接するように配置された混合装置における断面図である。 本発明の第四実施形態に係るマイクロチップ用混合装置であって、消泡手段はチャンバー上部の空間を減圧する減圧手段を更に有する混合装置における断面図である。 消泡効果が生じるパラメータ近似線図であり、横軸は、消泡手段におけるテーパー壁の垂線に対する角度θであり、縦軸は接触角γである。

以下、本発明のマイクロチップ用混合装置の実施形態を、図面を参照しながら説明するが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。

図１、２には、本発明の第一実施形態に係るマイクロチップ用混合装置が示されている。このマイクロチップ用混合装置１は、その内部に、流体の流路３と、その流路３の途中に流体や、後述する予試薬（以下、併せて「流体等」ともいう。）を混合するための空間であるチャンバー（液槽）４が設けられている。流路３は、この実施形態においては２つあって、それぞれがチャンバー４の下部に接続されている。また、一方の流路３の端部には、インレット２が設けられ、他方の流路３の端部には、アウトレット５が設けられている。

このマイクロチップ用混合装置１においては、１種又は２種以上の流体がインレット２から供給され、一方の流路３を介してチャンバー４へ流入し、チャンバー４内部で振動手段により流体等が混合され、他方の流路３を介してアウトレット５から流出されるように構成されている。

チャンバー４内で混合する対象は流体に限られない。例えば、チャンバー４内に予試薬を収容しておき、流路３を介してチャンバー４内に流体を流入し、予試薬と流体とを混合したり、予試薬を流体に溶解させたりすることもできる。この場合、予試薬は流体に限られず、チャンバー４内に収容できるものであれば、いずれの形態も用いることができる。

なお、チャンバー４内には、リトマス試験紙やｐＨ試験紙等、流体等が混合されたことが確認できる手段を収容しておくこともできる。

ここで、本明細書において流路とは、微細な（マイクロ）流路のことであり、ガラス製基板、シリコーン樹脂製基板等の基板上に微細加工された、流体を送流可能な溝であって、幅および深さがｎｍ〜μｍ単位の寸法の溝のことをいう。

上記基板に用いられる材料としては、微細な流路を形成することができれば特に限定されず、用途に応じて選択することができる。具体的には、ガラス、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、金属、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂、汎用透明エンジニアリングプラスチック、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）等が挙げられる。

流路３、インレット２、及びアウトレット５は、流体等をチャンバー４内で混合できるように構成されていればよく、図１のように、インレット２、インレット２とチャンバー４を接続する流路３、チャンバー４とアウトレット５を接続する流路３、及びアウトレット５がそれぞれ１つからなる構成に限られるものではない。例えば、インレット、インレットとチャンバーを接続する流路がそれぞれ２つからなり、チャンバーとアウトレットを接続する流路、及びアウトレットがそれぞれ１つからなる構成であってもよい。この場合には、２つのインレットから異なる流体をそれぞれ流入し、チャンバー内で流体を混合し、混合した流体を１つのアウトレットから流出させることができる。このように、インレット、インレットとチャンバーを接続する流路がそれぞれ２つ以上からなる構成であってもよく、また、チャンバーとアウトレットを接続する流路、アウトレットがそれぞれ２つ以上からなる構成であってもよい。

また、マイクロチップ用混合装置１の内部にはチャンバー４の上部に消泡手段６が設けられ、その消泡手段６の上端部は気泡抜き孔７を有している。図２に示されるように、流体等をチャンバー４内で混合した際に生じる気泡は、液面では消えないものの、消泡手段のある上方に押し出されてゆき、消泡手段６に押し付けられることで、気泡が破壊される。これにより生じる気体は消泡手段６の上端部に配置された気泡抜き孔７により外部へ排出されるので、チャンバー４内部の流体や気泡が外部に漏れることが抑制され、良好に流体を混合することができる。

この実施形態では、上記消泡手段６として、チャンバー４の上部に形成された、対向する内壁の間隔が上方に向けて狭められるテーパー壁８を有している。この場合、テーパー壁の垂線に対する角度θが、下記式（１）で示す範囲であることが好ましく、下記式（２）で示される範囲であることより好ましい。
０°＜θ＜６０° ・・・（１）
０°＜θ＜３０° ・・・（２）
上記において角度θが６０°を超えると、気泡を押し込んで破壊する消泡効果が弱まる傾向がある。角度θが０°では、気泡を気泡抜き孔７に向けて集める効果が乏しくなる。

上記消泡手段６を設けることにより、テーパー壁８に付着した気泡を形成する液滴をチャンバー４へ還流し、チャンバー４内部の流体が外部に漏れることを防ぐことができる。

上記気泡抜き孔７の開口部径は、流体等の混合により生じた気泡、発生する気体、及び基板等の性質によって適宜選択することができるが、０．１〜２．０ｍｍであることが好ましい。気泡抜き孔７の開口部径が０．１ｍｍ未満では、気泡が破壊して生じた気体を流出させにくくなる傾向があり、２．０ｍｍよりも大きいと、気泡抜き孔７からチャンバー内に異物が混入する恐れがある。

上記テーパー壁８は、その内側面が凹凸形状をなすことが好ましい。凹凸形状は、内側面全体に施されている必要はなく、一部に形成されているだけでもよい。気泡が凹凸形状に押し付けられることで、より効率よく気泡の破壊が進むことで、生じる気体の外部への排出が促進され、良好に流体を混合することができる。

チャンバー４の下方には、本発明による振動手段を構成する圧電素子１３が配置されている。圧電素子１３の上下面には、上部電極１２、下部電極１４が設けられ、上部電極１２に配線１０が接続され、下部電極１４に配線１１が接続されている。これらの配線１０、１１は、外部に設置された図示しない駆動装置に接続されるようになっている。

圧電素子１３は、駆動装置から交流電圧を印加されることによって超音波振動などの振動を発生させるので、この振動がチャンバー４に作用することによって、チャンバー内の流体等を良好に混合することができる。

上記圧電素子１３の材料としては、電圧を加えると伸縮するものであれば特に制限はなく、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、ビスマス鉄酸化物、ニオブ酸金属物、チタン酸バリウム、又はこれらの材料に金属や異なる酸化物を加えたもの等が挙げられる。

次に、このマイクロチップ用混合装置１の作用効果を説明する。

例えば２種以上の流体を混合したい場合について説明すると、２種以上の流体をインレット２から供給して、一方の流路３を介してチャンバー４へ流入させる。この場合、インレット２を有する複数の流路３を設けて、それぞれの流路３から混合すべき流体を流入させることもできる。

チャンバー４に流入した複数の流体は、チャンバー４の下方に配置された圧電素子１３によって振動を受けて撹拌される。圧電素子１３による振動は、配線１０、配線１１を通して、上部電極１２、下部電極１４に交流電圧を印加することにより、発生させることができる。圧電素子による振動の周波数は、特に限定されないが、２０〜２００Ｈｚが好ましく、１００〜１７０Ｈｚがより好ましい。

チャンバー４に流入した流体を、圧電素子１３による振動によって撹拌させると、多数の微細な気泡が発生してチャンバー４内に滞留し、撹拌が効果的になされなくなってしまうという問題が生じる。

このため、本発明では、チャンバー４の上方に、消泡手段６を設けている。この実施形態の場合、消泡手段６は、テーパー壁８と、その上端に設けられた気泡抜き孔７によって構成されている。

チャンバー４内で発生した気泡は、チャンバー４の上部からテーパー壁８に沿って上昇し、テーパー壁８によって押し込められて気泡が破壊され、気体と液体とに分離して、気体は気泡抜き孔７から流出し、液体はチャンバー４内に戻される。このため、発生した気泡が、液体を含んだまま気泡抜き孔７から流出してしまうことを抑制することができ、圧電素子１３による振動を続けることが可能となる。

チャンバー４内で撹拌されて混合された流体（液体）は、他方の流路３を通ってアウトレット５から取出すことができ、その後は、図示しない分析装置等に送って他の処理を施すことができる。

なお、チャンバー４内で混合する対象は流体どうしに限られない。例えば、チャンバー４内に予試薬を収容しておき、流路３を介してチャンバー４内に流体を流入し、予試薬と流体とを混合したり、予試薬を流体に溶解させたりすることもできる。この場合、予試薬は流体に限られず、チャンバー４内に収容できるものであれば、いずれの形態も用いることができる。

なお、混合した流体の分析は、チャンバー４内で行うこともできる。例えば、チャンバー４内に、リトマス試験紙やｐＨ試験紙等の分析用手段を配置しておき、流体等を混合した状態で分析用手段と反応させることにより、定性又は定量分析を行うこともできる。

図３には、本発明の第二実施形態に係るマイクロチップ用混合装置が示されている。なお、前記実施形態と実質的に同じ構成をなす部分には同じ符号を付して、その説明を省略することにする。

このマイクロチップ用混合装置１ａは、前記実施形態と同様に、消泡手段６として、チャンバー４の上部に形成された、対向する内壁の間隔が上方に向けて狭められるテーパー壁８を有している。ただし、この実施形態では、テーパー壁８の内面に、微粒子９のコーティング層が設けられている点が、前記実施形態と異なっている。微粒子９のコーティング層によって、テーパー壁８に沿って上昇する気泡を破壊しやすくし、消泡効果を高めることができる。

コーティング層を形成する微粒子は、親水性（濡れ性）が良好なものであることが好ましく、接触角γが９０°以下であることがより好ましい。このような微粒子としては、例えばシリカ微粒子が挙げられる。このような微粒子を用いることで、コーティング層に付着した気泡を形成する液滴をすばやくチャンバー４へ還流し、チャンバー４内部の流体が外部に漏れることを防ぐことができる。

ここで、接触角γとテーパー壁の垂線に対する角度θをパラメータとした、消泡効果が生じるパラメータ近似線図を図６に示した。これによれば、接触角γが大きいほど、テーパー壁の垂線に対する角度θは小さいほうが好ましく、一方、接触角γが小さいほど、テーパー壁の垂線に対する角度θは大きいほうが好ましい。また、接触角γが大きいほど、気泡抜き孔の開口部径は小さいほうが好ましく、接触角γが小さいほど、気泡抜き孔の開口部径は大きいほうが好ましい。

なお、上記微粒子９のコーティング層の代わりに、別の凹凸形状を設けることでも、同様な効果を得ることができる。このような凹凸形状としては、円錐状、紡錘状、円錐台状、紡錘台状から選ばれる１種または２種類以上の突起が所定間隔で多数立設された形状等が挙げられる。

図４には、本発明の第三実施形態に係るマイクロチップ用混合装置が示されている。このマイクロチップ用混合装置１ｂでは、振動手段を構成する圧電素子１３、上部電極１２、下部電極１４、配線１０、及び配線１１が、マイクロチップ用混合装置１ｂ外にあって、チャンバー４の外壁、この実施形態の場合は底壁に接するように配置される。このようなマイクロチップ用混合装置であれば、外付けの圧電素子を用いることもできるし、圧電素子に限らない他の振動手段を用いることができる。また、マイクロチップを使い捨てチップとした際に、ここのチップ毎に圧電素子を設ける必要がなくなり、製造コストを低減できる。

図５は、本発明の第四実施形態に係るマイクロチップ用混合装置が示されている。このマイクロチップ用混合装置１ｃには、チャンバー４上部の空間を減圧する減圧手段１５が配置されている。これにより、チャンバー４内部に発生する気泡を上方に誘導することができるので、消泡手段６による気泡の破壊を促進することができ、また、発生する気体の外部への排出を促進することができる。

上記減圧手段としては、特に限定されず、例えば、各種の真空ポンプを用いることができる。

本発明に係るマイクロチップ用混合装置は、チャンバー４内で混合された流体を分析する分析手段と組み合わせて、分析装置として用いることもできる。この場合、分析手段はマイクロチップ用混合装置内であって、チャンバー４の下流であり、流路３の途中に配置することができるが、これに限られず、任意の場所に配置することができる。

なお、分析手段としては、例えば呈色判定試薬を封入し呈色反応から分析したり、液だまりへ赤外光を照射し吸光度で分析したり、液だまりへ電極（負極、正極、参照極）を設置し電気化学的に分析したりする方法などが挙げられる。

上記分析手段の他にも、本発明に係るマイクロチップ用混合装置と組み合わせるものとして、ろ過手段、希釈手段、加熱手段、及び廃液槽等があるが、これに限られない。

１：マイクロチップ用混合装置
２：インレット
３：流路
４：チャンバー(液槽)
５：アウトレット
６：消泡手段
７：気泡抜き孔
８：テーパー壁
９：微粒子
１０：上部電極への配線
１１：下部電極への配線
１２：上部電極
１３：圧電素子
１４：下部電極
１５：減圧手段

Claims (11)

1. マイクロチップ内で流体を混合するためのマイクロチップ用混合装置において、
   前記マイクロチップ内に形成された、前記流体の流路と、
   該流路が下部に接続されたチャンバーと、
   該チャンバー内の流体に振動を与える振動手段と、
   該振動手段の振動で発生する気泡を消泡させる消泡手段と、
   該消泡手段の上端部に配置された気泡抜き孔とを備えていることを特徴とするマイクロチップ用混合装置。
2. 前記消泡手段は、前記チャンバー上部に形成された、対向する内壁の間隔が上方に向けて狭められるテーパー壁を有し、該テーパー壁の垂線に対する角度θが下記式（１）で示す範囲である、請求項１に記載のマイクロチップ用混合装置。
   ０°＜θ＜６０° ・・・（１）
3. 前記テーパー壁の内側面が凹凸形状をなす、請求項１又は２に記載のマイクロチップ用混合装置。
4. 前記凹凸形状は微粒子のコーティング層からなる、請求項３に記載のマイクロチップ用混合装置。
5. 前記凹凸形状は、円錐状、紡錘状、円錐台状、紡錘台状から選ばれる１種または２種類以上の突起が所定間隔で多数立設された形状である、請求項３に記載のマイクロチップ用混合装置。
6. 前記振動手段は圧電素子である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のマイクロチップ用混合装置。
7. 前記振動手段は、マイクロチップ内にある、請求項１〜６のいずれか１項に記載のマイクロチップ用混合装置。
8. 前記振動手段は、前記マイクロチップ外にあって、前記チャンバーの外壁に接するように配置されたものからなる、請求項１〜６のいずれか１項に記載のマイクロチップ用混合装置。
9. 前記消泡手段は、前記チャンバー上部の空間を減圧する減圧手段を更に有する、請求項１〜８のいずれか１項に記載のマイクロチップ用混合装置。
10. 前記チャンバー内には予試薬が収容されており、前記流路を介して前記チャンバー内に流体を流入し、前記予試薬と前記流体とを混合する、請求項１〜９のいずれか１項に記載のマイクロチップ用混合装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載のマイクロチップ用混合装置と、前記チャンバー内で混合された流体を分析する分析手段とを備えていることを特徴とする分析装置。

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