JP3668959B2 - 微量液体制御機構 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微量液体制御機構に関し、さらに詳細には、圧力を利用した微量液体制御機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、生化学マイクロ分析システムにおいては、反応液たる液体を所望の位置に正確に位置決めして配置したり、混合すべき２種類の液体間にある空気を排除して混合させたりなどする必要があるために、微量の液体を任意の位置へ移動させる手法の提案が望まれていた。
【０００３】
従来より、こうした要望に応じ、かつ、デッドボリュームを最小化するとともにコンタミネーションを避けるために、導管内に存在する液体を圧力を利用して任意の位置へ移動させるようにした微量液体制御機構が提案されている。
【０００４】
上記した空気圧を利用した微量液体制御機構としては、例えば、「ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＳ ’９７（１９９７ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ， Ｃｈｉｃａｇｏ，Ｊｕｎｅ １６−１９，１９９７）」誌の第４７７頁〜第４８０頁に掲載されたＲｏｌｆｅ Ｃ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ達により提案された「Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ」や、「１９９８ ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏ ＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ」誌の第４５頁〜第５０頁に掲載されたＰ．Ｆ．Ｍａｎ達により提案された「ＭＩＣＲＯＦＡＢＲＩＣＡＴＥＤ ＣＡＰＩＬＬＡＲＩＴＹ−ＤＲＩＶＥＮ ＳＴＯＰ ＶＡＬＶＥ ＡＮＤ ＳＡＭＰＬＥ ＩＮＪＥＣＴＯＲ」がある。
【０００５】
しかしながら、前者に開示された微量液体制御機構は、バルブやダイヤフラムなどの可動部材を用いているために構成が複雑化し、さらに、製造の際にも煩雑な組み立て工程を要するという問題点があった。
【０００６】
また、後者に開示された微量液体制御機構は、導管内壁を親液性とした場合に、断面が急激に広がる箇所が液体の浸入に抵抗するため、この部分がストップバルブとして作用する原理を利用したものであるが、この微量液体制御機構は耐圧に理論的な限界値があり、しかも導管内の液体が水の場合にはその限界値が約１０ｋＰａと低いという問題点があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の技術の有する上記したような種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡潔な構成により容易に製造することができ、しかも耐圧に理論的な限界値のない圧力を利用した微量液体制御機構を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、水溶液などの液体が疎液性（この明細書において「疎液性」とは、液体をはじく性質を意味するものである。「疎液性」は、液体が水の場合には一般的に「疎水性」と称される。）の細管に対して起こす負の毛細管現象を利用して、液体の位置決めをセンサなどを用いることなく実現したものである。
【０００９】
即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、圧力を利用して液体を任意の位置へ移動させるようにした微量液体制御機構において、微量の液体を導入する第１の導管と、上記第１の導管より細径であるとともに断面の幅と高さがμｍオーダーの大きさに形成され、一方の端部が上記第１の導管と連通するように連接された細管と、上記細管より大径に形成されるとともに、上記細管の他方の端部と連通するように連接された第２の導管とを有し、上記細管の少なくとも内壁面は疎液性に形成され、上記第１の導管内に微量の上記液体を導入した際に、上記液体を境界とした上記第１の導管側の圧力と上記第２の導管側の圧力との圧力差を上記液体が上記細管内へ浸入することのない臨界圧力差以下であるように制御して、上記第１の導管側の圧力と上記第２の導管側の圧力との圧力差に応じて上記第１の導管中の上記液体の位置を任意に制御するようにしたものである。
【００１０】
従って、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記細管は、複数形成されており、上記複数形成された細管のなかの一部は、上記第１の導管の端面と連接され、上記複数形成された細管のなかの残部は、上記第１の導管の周壁面に上記第１の導管の軸方向に沿って順次に連接されているようにしたものである。
【００１１】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、圧力を利用して液体を任意の位置へ移動させるようにした微量液体制御機構において、内部に液体を貯留したリザーバーと第１のマイクロバルブを介して接続されて、上記第１のマイクロバルブの開閉に応じて上記リザーバーから微量の上記液体を導入するとともに、上記液体が移動されるチャンバーと第２のマイクロバルブを介して接続されて、上記第２のマイクロバルブの開閉に応じて上記リザーバーから導入された微量の上記液体を上記チャンバーへ移動する第１の導管と、上記第１の導管より細径であるとともに断面の幅と高さがμｍオーダーの大きさに形成され、一方の端部が上記第１の導管と連通するように連接された細管と、上記細管より大径に形成されるとともに、上記細管の他方の端部と連通するように連接された第２の導管とを有し、上記細管の少なくとも内壁面は疎液性に形成され、上記第１の導管内に微量の上記液体を導入した際に、上記液体を境界とした上記第１の導管側の圧力と上記第２の導管側の圧力との圧力差を上記液体が上記細管内へ浸入することのない臨界圧力差以下であるように制御して、上記第１の導管側の圧力と上記第２の導管側の圧力との圧力差に応じて上記第１の導管中の上記液体の位置を任意に制御するものであり、上記第１のマイクロバルブを開くとともに上記第２のマイクロバルブを閉じ、上記第２の導管側の圧力を負圧にして、上記第１のマイクロバルブを通して上記第１の導管内に上記リザーバー内の微量の上記液体を導入し、上記第１のマイクロバルブを閉じるとともに上記第２のマイクロバルブを開き、上記第２の導管側の圧力を正圧にして、上記第１の導管内の微量の上記液体を上記第２のマイクロバルブを通して上記チャンバー内へ移動するようにしたものである。
【００１２】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項３に記載の発明において、上記チャンバーは、複数形成されており、上記複数形成されたチャンバーのそれぞれは、一方の端部に上記第２のマイクロバルブが連接され、他方の端部に上記チャンバーより細径であるとともに断面の幅と高さがμｍオーダーの大きさに形成された細管の一方の端部が連通するように連接され、上記チャンバーに接続された細管の他方の端部に、上記チャンバーに接続された細管より大径に形成された第３の導管が連通するように連接されていて、上記チャンバーに接続された細管の少なくとも内壁面は疎液性に形成され、上記複数のチャンバーのそれぞれは、上記チャンバー内に微量の上記液体を導入した際に、上記液体を境界とした上記チャンバーの圧力と上記第３の導管側の圧力との圧力差を上記液体が上記チャンバーに接続された細管内へ浸入することのない臨界圧力差以下であるように制御して、上記チャンバー側の圧力と上記第３の導管側の圧力との圧力差に応じて上記チャンバー中の上記液体の位置を任意に制御するようにしたものである。
また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項３または請求項４のいずれか１項に記載の発明において、上記細管は、複数形成されているようにしたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面に基づいて、本発明による微量液体制御機構の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００１４】
図１には、本発明による微量液体制御機構の実施の形態の一例を示す概念構成説明図が示されており、この微量流体制御機構１０は、「幅×高さ」が「３μｍ×３μｍ」の大きさの矩形（この実施の形態においては、正方形である。）断面を備えた微細管１２を、８μｍのピッチ（間隔）を開けて４本平面上に並列に配置したベント１４を備えている。
【００１５】
そして、このベント１４の両端には、「幅×高さ」が「１００μｍ×２０μｍ」の大きさの矩形（この実施の形態においては、長方形である。）断面を備えた第１導管１６と第２導管１８とがそれぞれ連接されている。これら、第１導管１６と第２導管１８とは、ベント１４の微細管１２を通して液体ならびに気体が連通するようになされている。
【００１６】
なお、符号２０は、微量流体制御機構１０の第１導管１６内に導入された液体の滴（以下、「液滴」と称する。）である。この液滴２０は、例えば、４００ｐｌ（ピコリットル）の容積を備えているものとする。
【００１７】
そして、この実施の形態においては、第１導管１６には圧力源として第１ポンプ２２が設けられているとともに、第２導管１８側には圧力源として第２ポンプ２４が設けられている。
【００１８】
そして、これら第１ポンプ２２と第２ポンプ２４との作用により、液滴２０を境界として、第１導管１６側の領域の圧力Ｐａと第２導管１８側の圧力Ｐｂとを任意に設定することができるようになされている。
【００１９】
さらに、微量液体制御機構１０においては、ベント１４の微細管１２の内壁は疎液性に形成されており、液体の浸入に対して抵抗するが、気体は容易に通過させるようになされている。
【００２０】
ここで、ベント１４の微細管１２には、ある臨界圧力差△Ｐｃが存在し、臨界圧力差△Ｐｃ以下の圧力差に対しては全く液漏れを起こさない、換言すれば、液体の浸入を許さないものである。
【００２１】
即ち、液滴２０が図１に示すような位置関係にある状態とは、第１導管１６側の領域の圧力Ｐａから第２導管１８側の圧力Ｐｂを減算した値たる圧力差（Ｐａ−Ｐｂ）が臨界圧力差△Ｐｃ以下の値であるため、液滴２０が微細管１２の第１導管１６側の開口部、即ち、ベント１４の開口部で静止して位置決めされており、液滴２０が微細管１２内へ全く浸入していない状態である。
【００２２】
ここで、第１導管１６側の領域の圧力Ｐａが増大したり、あるいは、第２導管１８側の圧力Ｐｂが減少したりして、第１導管１６側の領域の圧力Ｐａから第２導管１８側の圧力Ｐｂを減算した値たる圧力差（Ｐａ−Ｐｂ）が臨界圧力差△Ｐｃより大きくなると、当該圧力差（Ｐａ−Ｐｂ）の値と臨界圧力差△Ｐｃの値との差分値に応じて、液滴２０がベント１４の微細管１２内へと浸入し、さらには第２導管１８内に浸入するようになる。
【００２３】
そして、所望の位置関係で上記した第１導管１６とベント１４と第２導管１８とを連接した構成を設けておけば、第１導管１６側の領域の圧力Ｐａから第２導管１８側の圧力Ｐｂを減算した値たる圧力差（Ｐａ−Ｐｂ）を臨界圧力差△Ｐｃ以下に設定するという極めて容易な操作により、所望の位置に設けられたベント１４の開口部で液滴２０を確実に位置決めすることができるものである。
【００２４】
ここで、臨界圧力差△Ｐｃは、γを液滴２０の表面張力とし、θを液滴２０と微細管１２の内壁との接触角とし、ｗを微細管１２の矩形断面の幅とし、ｈを微細管１２の矩形断面の高さとすると、
△Ｐｃ＝−２γｃｏｓθ（１／ｗ＋１／ｈ）
として近似的に計算することができる。
【００２５】
このように、臨界圧力差△Ｐｃの値は、液滴２０と微細管１２の内壁との接触角θ、即ち、疎液性に強く影響されるものである。
【００２６】
次に、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）を参照しながら、この微量液体制御機構１０の製造方法の一例について説明する。
【００２７】
微量液体制御機構１０の製造にあたっては、まず、成形のための反転パターンを、シリコンウエハ（Ｓｉ）１００上に形成することになる。即ち、膜厚０．３μｍのＳｉＯ２をマスクとして、異方性ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：反応性イオンエッチング）により微細管１２を形成するための反転パターンの部分１０２を形成する（図２（ａ）参照）。
【００２８】
その後に、液滴２０と空気とを導入する第１導管１６を形成するための反転パターンの部分１０４ならびに空気を導入する第２導管１８を形成するための反転パターンの部分１０６として、フォトレジスト（ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ：例えば、「ＥＰＯＮ ＳＵ−８」を使用することができる。）を２０μｍの膜厚で塗布し、それから露光して現像する（図２（ｂ）参照）。
【００２９】
次に、未硬化のシリコーンゴムとして、例えば、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）１０６を、図２（ａ）（ｂ）に示す工程により反転パターンを形成されたシリコンウエハ１００上に注ぎ込むことになる（図２（ｃ）参照）。
【００３０】
それから、ＰＤＭＳ１０６を注ぎ込んだシリコンウエハ１００を加熱し、この加熱により硬化したＰＤＭＳ１０６をシリコンウエハ１００から剥し、剥したＰＤＭＳ１０６を板厚２ｍｍのアクリル樹脂板として、例えば、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）１０８に貼り付けて接合するものである（図２（ｄ）参照）。
【００３１】
図２（ｅ）には、ＰＤＭＳ１０６とＰＭＭＡ１０８とを接合した状態が示されており、ＰＤＭＳ１０６とＰＭＭＡ１０８との間には、微細管１２が形成されたベント１４、第１導管１６ならびに第２導管１８が形成されることになる。
【００３２】
なお、ＰＭＭＡ１０８には、予め液滴２０ならびに第１ポンプまたは第２ポンプを介して圧力源としての空気を導入するための直径１ｍｍの穴１０８ａが穿設されており、さらにＰＭＭＡ１０８の微細管１２となる領域の表面にはＣＨＦ３プラズマによりフッ化炭素膜が形成されて、ＰＭＭＡ１０８の表面は疎液性となされている。
【００３３】
また、ＰＤＭＳ１０６の微細管１２となる領域の表面も、疎液性となされている。
【００３４】
なお、硬化したシリコーンゴム（この実施の形態においては、ＰＤＭＳ１０６である。）は自己接着性を備えており、ＰＭＭＡ１０８表面にＣＨＦ３プラズマによりフッ化炭素膜を形成した後においても、ＰＭＭＡ１０８表面にある程度の強度で密着するので、特別な接合技術を用いることなくＰＤＭＳ１０６とＰＭＭＡ１０８とを接着することができる。
【００３５】
しかしながら、適宜の接着剤を用いて、ＰＤＭＳ１０６とＰＭＭＡ１０８とをより強固に接着してもよいことは勿論である。
【００３６】
以上のように、この微量液体制御機構１０は、バルブやダイヤフラムのような可動部材を備える必要がなく、簡潔な構成とすることができる。
【００３７】
しかも、この微量液体制御機構１０は、平面的な構造とすることができるため、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）を参照しながら上記において説明した半導体微細加工技術および型成形技術を用いて容易かつ安価に製造することが可能となり、使い捨ての部品としてマイクロデバイスに組み込むことも可能になる。
【００３８】
図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）には、液滴２０として水を用い、液滴２０を空気圧で操作した実験結果を示す液滴２０の移動状態を示す説明図である。
【００３９】
この実験においては、第１ポンプ２２により付与される空気圧を大気圧で一定、即ち、第１導管１６側の領域の圧力Ｐａを大気圧で一定とし、その一方で、第２ポンプ２４により付与される空気圧を変化させる、即ち、第２導管１８側の領域の圧力Ｐｂを変化させることにより、第１導管１６内に導入された液滴２０の位置を変化させるようにした。
【００４０】
なお、第１導管１６側の領域の圧力Ｐａを大気圧で一定とする場合には、第１導管１６側に第１ポンプ２２を設けなくともよい。
【００４１】
まず、第２ポンプ２４により付与される空気圧を減少させて負圧にする、即ち、第２導管１８側の領域の圧力Ｐｂを負圧にすると、液滴２０はベント１４の方向に引きつけられ（図３（ａ）→図３（ｂ）参照）、ベント１４の微細管１２の第１導管１６側の開口部で停止した（図３（ｃ）参照）。
【００４２】
それから、第２ポンプ２４により付与される空気圧を増大させて正圧にする、即ち、第２導管１８側の領域の圧力Ｐｂを正圧にすると、液滴２０はベント１４の第１導管１６側の開口部から第１ポンプ２２側に移動された（図３（ｄ）→図３（ｅ）参照）。
【００４３】
また、この実験においては、第２ポンプ２４により付与される空気圧を変化させて、第１導管１６側の領域の圧力Ｐａから第２導管１８側の圧力Ｐｂを減算した値たる圧力差（Ｐａ−Ｐｂ）を徐々に増大させていくことにより、臨界圧力差△Ｐｃを測定した。
【００４４】
この実験結果によると、第１導管１６側の領域の圧力Ｐａから第２導管１８側の圧力Ｐｂを減算した値たる圧力差（Ｐａ−Ｐｂ）が３０ｋＰａのときに、１本の微細管１２内へ液滴２０の浸入が始まり、圧力差（Ｐａ−Ｐｂ）が５０ｋＰａのときに４本の微細管１２内へ相当量の液滴２０が浸入することが観察された。
【００４５】
この実験結果は概ね理論的予測に適合するものであり、ＰＤＭＳ１０６およびフッ化炭素に対する水の接触角を１１０度と仮定すると、臨界圧力差△Ｐｃの計算値は３３ｋＰａとなる。
【００４６】
また、この微量液体制御機構１０においては、微細管１２を細くするほど耐圧は大きくなり、理論的な上限はないものであり、実験結果としても上記したように約３０ｋＰａの臨界圧力差△Ｐｃを実現している。
【００４７】
なお、上記した実施の形態においては、ベント１４として微細管１２を複数本（４本）並列に配置するようにしたが、これに限られることなしに、単数（１本）を含む任意の本数の微細管１２をベント１４として用いてもよい。
【００４８】
ところで、上記したように、本発明による微量液体制御機構を用いると、液体を任意の位置に配置することができるため、例えば、混合すべき２種類の液体間にある空気を排除しながら、ｐｌ（ピコリットル）オーダーあるいはｎｌ（ナノリットル）オーダーの微量の液体を混合することができるようになる。
【００４９】
即ち、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）には、本発明による微量液体制御機構の他の実施の形態が図示されており、図１に示す微量液体制御機構１０と同一あるいは相当する構成には、図１において用いた符号と同一の符号を用いて示すことにより、その詳細な説明は省略するものとする。
【００５０】
図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す微量液体制御機構１０’においては、ベント１４を構成する微細管１２として、図１に示す微量液体制御機構１０と同様に第１導管１６の端面１６ａに開口するものと、第１導管１６の周壁面１６ｂに開口するものとの２種類が設けられている。
【００５１】
従って、この微量液体制御機構１０’においては、まず、第１液滴２０’を第１導管１６内に導入し、液滴２０’を第１導管１６の端面１６ａまで移動させていく（図４（ａ）参照）。
【００５２】
次に、第２液滴２０’’を第１導管１６内に導入し、液滴２０’’を第１導管１６の端面１６ａ側へ移動させていく（図４（ｂ）参照）。この移動の際に、第１液滴２０’と第２液滴２０’’間にある空気は、第１液滴２０’により閉塞されていない第１導管１６の周壁面１６ｂに開口する微細管１２より、第２導管１８側へ排出されることになる。
【００５３】
従って、液滴２０’’を第１導管１６の端面１６ａ側へさらに移動させていくと、最終的には第１液滴２０’と第２液滴２０’’との間にある空気を排除しながら、第１液滴２０’と第２液滴２０’’とを混合することができる。
【００５４】
しかも、第１液滴２０’と第２液滴２０’’とは、ｐｌ（ピコリットル）オーダーあるいはｎｌ（ナノリットル）オーダーの微量の液体とすることができる。
【００５５】
なお、上記した微量液体制御機構１０’においても、第１液滴２０’ならびに第２液滴２０’’の移動は、第１導管１６側の領域の圧力Ｐａから第２導管１８側の圧力Ｐｂを減算した値たる圧力差（Ｐａ−Ｐｂ）に応じて行われるものであり、この点の作用は微量液体制御機構１０と同様である。
【００５６】
また、本発明による微量液体制御機構は、例えば、図５（ａ）（ｂ）に示すようなマイクロバルブと組み合わせて使用することができる。
【００５７】
即ち、マイクロバルブ２００は、開口部２０２ａを有したシリコンウエハ２０２上にシリコーンゴム薄膜２０４が被覆され、さらに開口部２０２ａに対応するシリコーンゴム薄膜２０４と対向する位置に垂設された突出部２０６ａを有するシリコーンゴム厚膜２０６を備えている。
【００５８】
そして、シリコンウエハ２０２の開口部２０２ａには、図示しない圧力源により正圧または負圧が付与されるようになされており、図５（ａ）に示すように圧力源により正圧が付与されている際には、シリコーンゴム厚膜２０６の突出部２０６ａとシリコーンゴム薄膜２０４とが接触するようになされていて、シリコーンゴム厚膜２０６とシリコーンゴム薄膜２０４との間に形成された導管２０８の連通が遮断されている。
【００５９】
即ち、図５（ａ）（ｂ）において、突出部２０６ａより左側の導管２０８の部分を「第１導管２０８ａ」と称し、突出部２０６ａより右側の導管２０８の部分を「第２導管２０８ｂ」と称すると、圧力源により正圧が付与されている際には、第１導管２０８ａと第２導管２０８ｂとの連通が、突出部２０６ａとシリコーンゴム薄膜２０４との接触により遮断されていることになる。つまり、マイクロバルブ２００は閉じている。
【００６０】
ここで、図５（ｂ）に示すように圧力源により負圧を付与すると、シリコーンゴム薄膜２０４が圧力源側に吸引されて、突出部２０６ａとシリコーンゴム薄膜２０４との間に間隙Ｇが形成され、マイクロバルブ２００が開くことになる。
【００６１】
また、本発明による微量液体制御機構１０を用いると、図６に示すような、リザーバー３００から一定量の体積の液体を次のステップ（図６においては、反応、分離、検出などを行うチャンバー３０２である。）へ移動するための体積定量システムを実現することができる。なお、図６に示す体積定量システムに微量液体制御機構１０を適用する際には、微量液体制御機構１０における第１導管１６が体積定量チャンバー３０８として機能することになり、体積定量チャンバー３０８、即ち、第１導管１６側には第１ポンプ２２を設けなくともよい。
【００６２】
ここで、図７（ａ）（ｂ）には、図６に示す体積定量システムの動作状態が示されており、まず、第１バルブ３０４を開くとともに第２バルブ３０６を閉じて、微量液体制御機構１０の第２ポンプ２４を作動させて第２導管１８側の圧力Ｐｂを負圧にすると、第１バルブ３０４を通って体積定量チャンバー３０８内にリザーバー３００内の液体が吸入されることになる（図７（ａ）参照）。しかしながら、体積定量チャンバー３０８側の領域の圧力Ｐａから第２導管１８側の圧力Ｐｂを減算した値たる圧力差（Ｐａ−Ｐｂ）を臨界圧力差△Ｐｃ以下にすれば、液体がベント１４の微細管１２内には浸入することはない。
【００６３】
その後に、第１バルブ３０４を閉じるとともに第２バルブ３０６を開いて、微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐｂを正圧にすると、体積定量チャンバー３０８内の液体はチャンバー３０２内へ移動される（図７（ｂ）参照）。
【００６４】
ここで、液体の送り先であるチャンバー３０２は複数設けてもよく、この際には、図８乃至図１０における（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）に示すように、各チャンバー３０２−１〜３０２−３にも微量液体制御機構１０を設けるものとする（各チャンバー３０２−１〜３０２−３を第１導管１６として機能させるものであり、各チャンバー３０２−１〜３０２−３には第１ポンプ２２を設けなくともよい。）。このようにすると、液体の分注システムが実現できる。
【００６５】
この液体の分注システムにおいては、まず、第１バルブ３０４を開くとともに第２バルブ３０６、第３バルブ３１０、第４バルブ３１２および第５バルブ３１４を閉じて、体積定量チャンバー３０８を備えた微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐｂを負圧にし、チャンバー３０２−１〜３０２−３を備えた微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐｂを中立にすると、第１バルブ３０４を通って体積定量チャンバー３０８内にリザーバー３００内の液体が吸入されることになる（図８（ａ）参照）。
【００６６】
しかしながら、体積定量チャンバー３０８を備えた微量液体制御機構１０の体積定量チャンバー３０８側の領域の圧力Ｐａから第２導管１８側の圧力Ｐｂを減算した値たる圧力差（Ｐａ−Ｐｂ）を臨界圧力差△Ｐｃ以下にすれば、液体が体積定量チャンバー３０８を備えた微量液体制御機構１０のベント１４の微細管１２内には浸入することはない。
【００６７】
次に、第１バルブ３０４を閉じるとともに第２バルブ３０６および第３バルブ３１０を開き、かつ、第４バルブ３１２および第５バルブ３１４を閉じて、体積定量チャンバー３０８を備えた微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐｂを正圧にし、その一方で、チャンバー３０２−１を備えた微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐｂを負圧にし、さらに、チャンバー３０２−２〜３０４−３を備えた微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐｂを中立にすると（図８（ｂ）参照）、体積定量チャンバー３０８内の液体はチャンバー３０２−１内へ移動されることになる。体積定量チャンバー３０８内の液体がチャンバー３０２−１内へ移動されたならば、第３バルブ３０６を閉じるとともに、チャンバー３０２−１を備えた微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐｂを中立にする。
【００６８】
さらに次に、第１バルブ３０を開くとともに第２バルブ３０６、第３バルブ３１０、第４バルブ３１２および第５バルブ３１４を閉じて、体積定量チャンバー３０８を備えた微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐｂを負圧にし、チャンバー３０２−１〜３０２−３を備えた微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐｂを中立にすると、第１バルブ３０４を通って体積定量チャンバー３０８内にリザーバー３００内の液体が再度吸入されることになる（図９（ｃ）参照）。
【００６９】
それから、第１バルブ３０４を閉じるとともに第２バルブ３０６および第４バルブ３１２を開き、かつ、第３バルブ３１０および第５バルブ３１４を閉じて、体積定量チャンバー３０８を備えた微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐｂを正圧にし、その一方で、チャンバー３０２−２を備えた微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐｂを負圧にし、さらに、チャンバー３０２−１および３０４−３を備えた微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐｂを中立にすると（図９（ｄ）参照）、体積定量チャンバー３０８内の液体はチャンバー３０２−２内へ移動されることになる。
【００７０】
体積定量チャンバー３０８内の液体がチャンバー３０２−２内へ移動されたならば、第２バルブ３０６および第４バルブ３１２を閉じるとともに、チャンバー３０２−２を備えた微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐｂを中立にする（図１０（ｅ）参照）。
【００７１】
さらに、チャンバー３０２−３に関しても、上記と同様な処理を行うことにより、リザーバー３００から体積定量チャンバー３０８を経由してチャンバー３０２−３内に液体を注入することができる。
【００７２】
なお、上記した実施の形態においては、ベント１４の微細管１２をシリコーンゴムで形成するようにしたが、これに限られることなしに、数ミクロン以下の加工が可能であり、かつ、表面が疎液性であるか、あるいは、疎液性に改質が可能である材料であるならば、任意の材料を用いて形成することができる。
【００７３】
例えば、シリコンを陽極化成によりポーラス加工したものは、ベント１４の微細管１２の材料として用いることができる。このシリコンをポーラス加工したものは、表面だけでなく内部にまで微細な穴が形成されているため、液体に対する抵抗を保ったままで空気に対する抵抗を小さくすることができるので、ベント１４の微細管１２の材料としては良好なものである。
【００７４】
また、加工後にフッ化炭素膜などで疎液性に改質する場合には、現在マイクロマシニングされている全ての材料が、ベント１４の微細管１２の材料として使用可能である。
【００７５】
即ち、ベント１４の微細管１２は、例えば、シリコンやガラス基板をエッチング（なお、エッチングとしては、異方性エッチングが好ましい。）加工したり、シリコンやガラス基板にフォトレジストをつけて現像したり、ＰＭＭＡをレーザーアブレーションで加工したり、感光性ＰＭＭＡを硬Ｘ線で加工したり、金属を電鋳したり、樹脂を射出成形したりして製造することができる。
【００７６】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、簡潔な構成により容易に製造することができ、しかも耐圧に理論的な限界値のない圧力を利用した微量液体制御機構を提供することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による微量液体制御機構の実施の形態の一例を示す概念構成説明図である。
【図２】 本発明による微量液体制御機構の製造方法の一例を示す説明図である。
【図３】 本発明による微量液体制御機構を用いた実験結果を示す液滴の移動状態を示す概念構成説明図である。
【図４】 本発明による微量液体制御機構の他の実施の形態による液滴の移動状態を示す概念構成説明図である。
【図５】 本発明による微量液体制御機構と組み合わせて使用することが可能なマイクロバルブの一例を示す概略断面構成説明図である。
【図６】 本発明による微量液体制御機構を用いた体積定量システムを示す概念構成説明図である。
【図７】 図６に示す体積定量システムの動作状態を示す概念構成説明図である。
【図８】 本発明による微量液体制御機構を用いた液体の分注システムの動作状態を示す概念構成説明図である。
【図９】 本発明による微量液体制御機構を用いた液体の分注システムの動作状態を示す概念構成説明図である。
【図１０】 本発明による微量液体制御機構を用いた液体の分注システムの動作状態を示す概念構成説明図である。
【符号の説明】
１０ 微量流体制御機構
１２ 微細管
１４ ベント
１６ 第１導管
１８ 第２導管
２０ 液滴
２２ 第１ポンプ
２４ 第２ポンプ
【発明の属する技術分野】
本発明は、微量液体制御機構に関し、さらに詳細には、圧力を利用した微量液体制御機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、生化学マイクロ分析システムにおいては、反応液たる液体を所望の位置に正確に位置決めして配置したり、混合すべき２種類の液体間にある空気を排除して混合させたりなどする必要があるために、微量の液体を任意の位置へ移動させる手法の提案が望まれていた。
【０００３】
従来より、こうした要望に応じ、かつ、デッドボリュームを最小化するとともにコンタミネーションを避けるために、導管内に存在する液体を圧力を利用して任意の位置へ移動させるようにした微量液体制御機構が提案されている。
【０００４】
上記した空気圧を利用した微量液体制御機構としては、例えば、「ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＳ ’９７（１９９７ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ， Ｃｈｉｃａｇｏ，Ｊｕｎｅ １６−１９，１９９７）」誌の第４７７頁〜第４８０頁に掲載されたＲｏｌｆｅ Ｃ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ達により提案された「Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ」や、「１９９８ ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏ ＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ」誌の第４５頁〜第５０頁に掲載されたＰ．Ｆ．Ｍａｎ達により提案された「ＭＩＣＲＯＦＡＢＲＩＣＡＴＥＤ ＣＡＰＩＬＬＡＲＩＴＹ−ＤＲＩＶＥＮ ＳＴＯＰ ＶＡＬＶＥ ＡＮＤ ＳＡＭＰＬＥ ＩＮＪＥＣＴＯＲ」がある。
【０００５】
しかしながら、前者に開示された微量液体制御機構は、バルブやダイヤフラムなどの可動部材を用いているために構成が複雑化し、さらに、製造の際にも煩雑な組み立て工程を要するという問題点があった。
【０００６】
また、後者に開示された微量液体制御機構は、導管内壁を親液性とした場合に、断面が急激に広がる箇所が液体の浸入に抵抗するため、この部分がストップバルブとして作用する原理を利用したものであるが、この微量液体制御機構は耐圧に理論的な限界値があり、しかも導管内の液体が水の場合にはその限界値が約１０ｋＰａと低いという問題点があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の技術の有する上記したような種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡潔な構成により容易に製造することができ、しかも耐圧に理論的な限界値のない圧力を利用した微量液体制御機構を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、水溶液などの液体が疎液性（この明細書において「疎液性」とは、液体をはじく性質を意味するものである。「疎液性」は、液体が水の場合には一般的に「疎水性」と称される。）の細管に対して起こす負の毛細管現象を利用して、液体の位置決めをセンサなどを用いることなく実現したものである。
【０００９】
即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、圧力を利用して液体を任意の位置へ移動させるようにした微量液体制御機構において、微量の液体を導入する第１の導管と、上記第１の導管より細径であるとともに断面の幅と高さがμｍオーダーの大きさに形成され、一方の端部が上記第１の導管と連通するように連接された細管と、上記細管より大径に形成されるとともに、上記細管の他方の端部と連通するように連接された第２の導管とを有し、上記細管の少なくとも内壁面は疎液性に形成され、上記第１の導管内に微量の上記液体を導入した際に、上記液体を境界とした上記第１の導管側の圧力と上記第２の導管側の圧力との圧力差を上記液体が上記細管内へ浸入することのない臨界圧力差以下であるように制御して、上記第１の導管側の圧力と上記第２の導管側の圧力との圧力差に応じて上記第１の導管中の上記液体の位置を任意に制御するようにしたものである。
【００１０】
従って、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記細管は、複数形成されており、上記複数形成された細管のなかの一部は、上記第１の導管の端面と連接され、上記複数形成された細管のなかの残部は、上記第１の導管の周壁面に上記第１の導管の軸方向に沿って順次に連接されているようにしたものである。
【００１１】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、圧力を利用して液体を任意の位置へ移動させるようにした微量液体制御機構において、内部に液体を貯留したリザーバーと第１のマイクロバルブを介して接続されて、上記第１のマイクロバルブの開閉に応じて上記リザーバーから微量の上記液体を導入するとともに、上記液体が移動されるチャンバーと第２のマイクロバルブを介して接続されて、上記第２のマイクロバルブの開閉に応じて上記リザーバーから導入された微量の上記液体を上記チャンバーへ移動する第１の導管と、上記第１の導管より細径であるとともに断面の幅と高さがμｍオーダーの大きさに形成され、一方の端部が上記第１の導管と連通するように連接された細管と、上記細管より大径に形成されるとともに、上記細管の他方の端部と連通するように連接された第２の導管とを有し、上記細管の少なくとも内壁面は疎液性に形成され、上記第１の導管内に微量の上記液体を導入した際に、上記液体を境界とした上記第１の導管側の圧力と上記第２の導管側の圧力との圧力差を上記液体が上記細管内へ浸入することのない臨界圧力差以下であるように制御して、上記第１の導管側の圧力と上記第２の導管側の圧力との圧力差に応じて上記第１の導管中の上記液体の位置を任意に制御するものであり、上記第１のマイクロバルブを開くとともに上記第２のマイクロバルブを閉じ、上記第２の導管側の圧力を負圧にして、上記第１のマイクロバルブを通して上記第１の導管内に上記リザーバー内の微量の上記液体を導入し、上記第１のマイクロバルブを閉じるとともに上記第２のマイクロバルブを開き、上記第２の導管側の圧力を正圧にして、上記第１の導管内の微量の上記液体を上記第２のマイクロバルブを通して上記チャンバー内へ移動するようにしたものである。
【００１２】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項３に記載の発明において、上記チャンバーは、複数形成されており、上記複数形成されたチャンバーのそれぞれは、一方の端部に上記第２のマイクロバルブが連接され、他方の端部に上記チャンバーより細径であるとともに断面の幅と高さがμｍオーダーの大きさに形成された細管の一方の端部が連通するように連接され、上記チャンバーに接続された細管の他方の端部に、上記チャンバーに接続された細管より大径に形成された第３の導管が連通するように連接されていて、上記チャンバーに接続された細管の少なくとも内壁面は疎液性に形成され、上記複数のチャンバーのそれぞれは、上記チャンバー内に微量の上記液体を導入した際に、上記液体を境界とした上記チャンバーの圧力と上記第３の導管側の圧力との圧力差を上記液体が上記チャンバーに接続された細管内へ浸入することのない臨界圧力差以下であるように制御して、上記チャンバー側の圧力と上記第３の導管側の圧力との圧力差に応じて上記チャンバー中の上記液体の位置を任意に制御するようにしたものである。
また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項３または請求項４のいずれか１項に記載の発明において、上記細管は、複数形成されているようにしたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面に基づいて、本発明による微量液体制御機構の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００１４】
図１には、本発明による微量液体制御機構の実施の形態の一例を示す概念構成説明図が示されており、この微量流体制御機構１０は、「幅×高さ」が「３μｍ×３μｍ」の大きさの矩形（この実施の形態においては、正方形である。）断面を備えた微細管１２を、８μｍのピッチ（間隔）を開けて４本平面上に並列に配置したベント１４を備えている。
【００１５】
そして、このベント１４の両端には、「幅×高さ」が「１００μｍ×２０μｍ」の大きさの矩形（この実施の形態においては、長方形である。）断面を備えた第１導管１６と第２導管１８とがそれぞれ連接されている。これら、第１導管１６と第２導管１８とは、ベント１４の微細管１２を通して液体ならびに気体が連通するようになされている。
【００１６】
なお、符号２０は、微量流体制御機構１０の第１導管１６内に導入された液体の滴（以下、「液滴」と称する。）である。この液滴２０は、例えば、４００ｐｌ（ピコリットル）の容積を備えているものとする。
【００１７】
そして、この実施の形態においては、第１導管１６には圧力源として第１ポンプ２２が設けられているとともに、第２導管１８側には圧力源として第２ポンプ２４が設けられている。
【００１８】
そして、これら第１ポンプ２２と第２ポンプ２４との作用により、液滴２０を境界として、第１導管１６側の領域の圧力Ｐａと第２導管１８側の圧力Ｐｂとを任意に設定することができるようになされている。
【００１９】
さらに、微量液体制御機構１０においては、ベント１４の微細管１２の内壁は疎液性に形成されており、液体の浸入に対して抵抗するが、気体は容易に通過させるようになされている。
【００２０】
ここで、ベント１４の微細管１２には、ある臨界圧力差△Ｐｃが存在し、臨界圧力差△Ｐｃ以下の圧力差に対しては全く液漏れを起こさない、換言すれば、液体の浸入を許さないものである。
【００２１】
即ち、液滴２０が図１に示すような位置関係にある状態とは、第１導管１６側の領域の圧力Ｐａから第２導管１８側の圧力Ｐｂを減算した値たる圧力差（Ｐａ−Ｐｂ）が臨界圧力差△Ｐｃ以下の値であるため、液滴２０が微細管１２の第１導管１６側の開口部、即ち、ベント１４の開口部で静止して位置決めされており、液滴２０が微細管１２内へ全く浸入していない状態である。
【００２２】
ここで、第１導管１６側の領域の圧力Ｐａが増大したり、あるいは、第２導管１８側の圧力Ｐｂが減少したりして、第１導管１６側の領域の圧力Ｐａから第２導管１８側の圧力Ｐｂを減算した値たる圧力差（Ｐａ−Ｐｂ）が臨界圧力差△Ｐｃより大きくなると、当該圧力差（Ｐａ−Ｐｂ）の値と臨界圧力差△Ｐｃの値との差分値に応じて、液滴２０がベント１４の微細管１２内へと浸入し、さらには第２導管１８内に浸入するようになる。
【００２３】
そして、所望の位置関係で上記した第１導管１６とベント１４と第２導管１８とを連接した構成を設けておけば、第１導管１６側の領域の圧力Ｐａから第２導管１８側の圧力Ｐｂを減算した値たる圧力差（Ｐａ−Ｐｂ）を臨界圧力差△Ｐｃ以下に設定するという極めて容易な操作により、所望の位置に設けられたベント１４の開口部で液滴２０を確実に位置決めすることができるものである。
【００２４】
ここで、臨界圧力差△Ｐｃは、γを液滴２０の表面張力とし、θを液滴２０と微細管１２の内壁との接触角とし、ｗを微細管１２の矩形断面の幅とし、ｈを微細管１２の矩形断面の高さとすると、
△Ｐｃ＝−２γｃｏｓθ（１／ｗ＋１／ｈ）
として近似的に計算することができる。
【００２５】
このように、臨界圧力差△Ｐｃの値は、液滴２０と微細管１２の内壁との接触角θ、即ち、疎液性に強く影響されるものである。
【００２６】
次に、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）を参照しながら、この微量液体制御機構１０の製造方法の一例について説明する。
【００２７】
微量液体制御機構１０の製造にあたっては、まず、成形のための反転パターンを、シリコンウエハ（Ｓｉ）１００上に形成することになる。即ち、膜厚０．３μｍのＳｉＯ２をマスクとして、異方性ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：反応性イオンエッチング）により微細管１２を形成するための反転パターンの部分１０２を形成する（図２（ａ）参照）。
【００２８】
その後に、液滴２０と空気とを導入する第１導管１６を形成するための反転パターンの部分１０４ならびに空気を導入する第２導管１８を形成するための反転パターンの部分１０６として、フォトレジスト（ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ：例えば、「ＥＰＯＮ ＳＵ−８」を使用することができる。）を２０μｍの膜厚で塗布し、それから露光して現像する（図２（ｂ）参照）。
【００２９】
次に、未硬化のシリコーンゴムとして、例えば、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）１０６を、図２（ａ）（ｂ）に示す工程により反転パターンを形成されたシリコンウエハ１００上に注ぎ込むことになる（図２（ｃ）参照）。
【００３０】
それから、ＰＤＭＳ１０６を注ぎ込んだシリコンウエハ１００を加熱し、この加熱により硬化したＰＤＭＳ１０６をシリコンウエハ１００から剥し、剥したＰＤＭＳ１０６を板厚２ｍｍのアクリル樹脂板として、例えば、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）１０８に貼り付けて接合するものである（図２（ｄ）参照）。
【００３１】
図２（ｅ）には、ＰＤＭＳ１０６とＰＭＭＡ１０８とを接合した状態が示されており、ＰＤＭＳ１０６とＰＭＭＡ１０８との間には、微細管１２が形成されたベント１４、第１導管１６ならびに第２導管１８が形成されることになる。
【００３２】
なお、ＰＭＭＡ１０８には、予め液滴２０ならびに第１ポンプまたは第２ポンプを介して圧力源としての空気を導入するための直径１ｍｍの穴１０８ａが穿設されており、さらにＰＭＭＡ１０８の微細管１２となる領域の表面にはＣＨＦ３プラズマによりフッ化炭素膜が形成されて、ＰＭＭＡ１０８の表面は疎液性となされている。
【００３３】
また、ＰＤＭＳ１０６の微細管１２となる領域の表面も、疎液性となされている。
【００３４】
なお、硬化したシリコーンゴム（この実施の形態においては、ＰＤＭＳ１０６である。）は自己接着性を備えており、ＰＭＭＡ１０８表面にＣＨＦ３プラズマによりフッ化炭素膜を形成した後においても、ＰＭＭＡ１０８表面にある程度の強度で密着するので、特別な接合技術を用いることなくＰＤＭＳ１０６とＰＭＭＡ１０８とを接着することができる。
【００３５】
しかしながら、適宜の接着剤を用いて、ＰＤＭＳ１０６とＰＭＭＡ１０８とをより強固に接着してもよいことは勿論である。
【００３６】
以上のように、この微量液体制御機構１０は、バルブやダイヤフラムのような可動部材を備える必要がなく、簡潔な構成とすることができる。
【００３７】
しかも、この微量液体制御機構１０は、平面的な構造とすることができるため、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）を参照しながら上記において説明した半導体微細加工技術および型成形技術を用いて容易かつ安価に製造することが可能となり、使い捨ての部品としてマイクロデバイスに組み込むことも可能になる。
【００３８】
図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）には、液滴２０として水を用い、液滴２０を空気圧で操作した実験結果を示す液滴２０の移動状態を示す説明図である。
【００３９】
この実験においては、第１ポンプ２２により付与される空気圧を大気圧で一定、即ち、第１導管１６側の領域の圧力Ｐａを大気圧で一定とし、その一方で、第２ポンプ２４により付与される空気圧を変化させる、即ち、第２導管１８側の領域の圧力Ｐｂを変化させることにより、第１導管１６内に導入された液滴２０の位置を変化させるようにした。
【００４０】
なお、第１導管１６側の領域の圧力Ｐａを大気圧で一定とする場合には、第１導管１６側に第１ポンプ２２を設けなくともよい。
【００４１】
まず、第２ポンプ２４により付与される空気圧を減少させて負圧にする、即ち、第２導管１８側の領域の圧力Ｐｂを負圧にすると、液滴２０はベント１４の方向に引きつけられ（図３（ａ）→図３（ｂ）参照）、ベント１４の微細管１２の第１導管１６側の開口部で停止した（図３（ｃ）参照）。
【００４２】
それから、第２ポンプ２４により付与される空気圧を増大させて正圧にする、即ち、第２導管１８側の領域の圧力Ｐｂを正圧にすると、液滴２０はベント１４の第１導管１６側の開口部から第１ポンプ２２側に移動された（図３（ｄ）→図３（ｅ）参照）。
【００４３】
また、この実験においては、第２ポンプ２４により付与される空気圧を変化させて、第１導管１６側の領域の圧力Ｐａから第２導管１８側の圧力Ｐｂを減算した値たる圧力差（Ｐａ−Ｐｂ）を徐々に増大させていくことにより、臨界圧力差△Ｐｃを測定した。
【００４４】
この実験結果によると、第１導管１６側の領域の圧力Ｐａから第２導管１８側の圧力Ｐｂを減算した値たる圧力差（Ｐａ−Ｐｂ）が３０ｋＰａのときに、１本の微細管１２内へ液滴２０の浸入が始まり、圧力差（Ｐａ−Ｐｂ）が５０ｋＰａのときに４本の微細管１２内へ相当量の液滴２０が浸入することが観察された。
【００４５】
この実験結果は概ね理論的予測に適合するものであり、ＰＤＭＳ１０６およびフッ化炭素に対する水の接触角を１１０度と仮定すると、臨界圧力差△Ｐｃの計算値は３３ｋＰａとなる。
【００４６】
また、この微量液体制御機構１０においては、微細管１２を細くするほど耐圧は大きくなり、理論的な上限はないものであり、実験結果としても上記したように約３０ｋＰａの臨界圧力差△Ｐｃを実現している。
【００４７】
なお、上記した実施の形態においては、ベント１４として微細管１２を複数本（４本）並列に配置するようにしたが、これに限られることなしに、単数（１本）を含む任意の本数の微細管１２をベント１４として用いてもよい。
【００４８】
ところで、上記したように、本発明による微量液体制御機構を用いると、液体を任意の位置に配置することができるため、例えば、混合すべき２種類の液体間にある空気を排除しながら、ｐｌ（ピコリットル）オーダーあるいはｎｌ（ナノリットル）オーダーの微量の液体を混合することができるようになる。
【００４９】
即ち、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）には、本発明による微量液体制御機構の他の実施の形態が図示されており、図１に示す微量液体制御機構１０と同一あるいは相当する構成には、図１において用いた符号と同一の符号を用いて示すことにより、その詳細な説明は省略するものとする。
【００５０】
図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す微量液体制御機構１０’においては、ベント１４を構成する微細管１２として、図１に示す微量液体制御機構１０と同様に第１導管１６の端面１６ａに開口するものと、第１導管１６の周壁面１６ｂに開口するものとの２種類が設けられている。
【００５１】
従って、この微量液体制御機構１０’においては、まず、第１液滴２０’を第１導管１６内に導入し、液滴２０’を第１導管１６の端面１６ａまで移動させていく（図４（ａ）参照）。
【００５２】
次に、第２液滴２０’’を第１導管１６内に導入し、液滴２０’’を第１導管１６の端面１６ａ側へ移動させていく（図４（ｂ）参照）。この移動の際に、第１液滴２０’と第２液滴２０’’間にある空気は、第１液滴２０’により閉塞されていない第１導管１６の周壁面１６ｂに開口する微細管１２より、第２導管１８側へ排出されることになる。
【００５３】
従って、液滴２０’’を第１導管１６の端面１６ａ側へさらに移動させていくと、最終的には第１液滴２０’と第２液滴２０’’との間にある空気を排除しながら、第１液滴２０’と第２液滴２０’’とを混合することができる。
【００５４】
しかも、第１液滴２０’と第２液滴２０’’とは、ｐｌ（ピコリットル）オーダーあるいはｎｌ（ナノリットル）オーダーの微量の液体とすることができる。
【００５５】
なお、上記した微量液体制御機構１０’においても、第１液滴２０’ならびに第２液滴２０’’の移動は、第１導管１６側の領域の圧力Ｐａから第２導管１８側の圧力Ｐｂを減算した値たる圧力差（Ｐａ−Ｐｂ）に応じて行われるものであり、この点の作用は微量液体制御機構１０と同様である。
【００５６】
また、本発明による微量液体制御機構は、例えば、図５（ａ）（ｂ）に示すようなマイクロバルブと組み合わせて使用することができる。
【００５７】
即ち、マイクロバルブ２００は、開口部２０２ａを有したシリコンウエハ２０２上にシリコーンゴム薄膜２０４が被覆され、さらに開口部２０２ａに対応するシリコーンゴム薄膜２０４と対向する位置に垂設された突出部２０６ａを有するシリコーンゴム厚膜２０６を備えている。
【００５８】
そして、シリコンウエハ２０２の開口部２０２ａには、図示しない圧力源により正圧または負圧が付与されるようになされており、図５（ａ）に示すように圧力源により正圧が付与されている際には、シリコーンゴム厚膜２０６の突出部２０６ａとシリコーンゴム薄膜２０４とが接触するようになされていて、シリコーンゴム厚膜２０６とシリコーンゴム薄膜２０４との間に形成された導管２０８の連通が遮断されている。
【００５９】
即ち、図５（ａ）（ｂ）において、突出部２０６ａより左側の導管２０８の部分を「第１導管２０８ａ」と称し、突出部２０６ａより右側の導管２０８の部分を「第２導管２０８ｂ」と称すると、圧力源により正圧が付与されている際には、第１導管２０８ａと第２導管２０８ｂとの連通が、突出部２０６ａとシリコーンゴム薄膜２０４との接触により遮断されていることになる。つまり、マイクロバルブ２００は閉じている。
【００６０】
ここで、図５（ｂ）に示すように圧力源により負圧を付与すると、シリコーンゴム薄膜２０４が圧力源側に吸引されて、突出部２０６ａとシリコーンゴム薄膜２０４との間に間隙Ｇが形成され、マイクロバルブ２００が開くことになる。
【００６１】
また、本発明による微量液体制御機構１０を用いると、図６に示すような、リザーバー３００から一定量の体積の液体を次のステップ（図６においては、反応、分離、検出などを行うチャンバー３０２である。）へ移動するための体積定量システムを実現することができる。なお、図６に示す体積定量システムに微量液体制御機構１０を適用する際には、微量液体制御機構１０における第１導管１６が体積定量チャンバー３０８として機能することになり、体積定量チャンバー３０８、即ち、第１導管１６側には第１ポンプ２２を設けなくともよい。
【００６２】
ここで、図７（ａ）（ｂ）には、図６に示す体積定量システムの動作状態が示されており、まず、第１バルブ３０４を開くとともに第２バルブ３０６を閉じて、微量液体制御機構１０の第２ポンプ２４を作動させて第２導管１８側の圧力Ｐｂを負圧にすると、第１バルブ３０４を通って体積定量チャンバー３０８内にリザーバー３００内の液体が吸入されることになる（図７（ａ）参照）。しかしながら、体積定量チャンバー３０８側の領域の圧力Ｐａから第２導管１８側の圧力Ｐｂを減算した値たる圧力差（Ｐａ−Ｐｂ）を臨界圧力差△Ｐｃ以下にすれば、液体がベント１４の微細管１２内には浸入することはない。
【００６３】
その後に、第１バルブ３０４を閉じるとともに第２バルブ３０６を開いて、微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐｂを正圧にすると、体積定量チャンバー３０８内の液体はチャンバー３０２内へ移動される（図７（ｂ）参照）。
【００６４】
ここで、液体の送り先であるチャンバー３０２は複数設けてもよく、この際には、図８乃至図１０における（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）に示すように、各チャンバー３０２−１〜３０２−３にも微量液体制御機構１０を設けるものとする（各チャンバー３０２−１〜３０２−３を第１導管１６として機能させるものであり、各チャンバー３０２−１〜３０２−３には第１ポンプ２２を設けなくともよい。）。このようにすると、液体の分注システムが実現できる。
【００６５】
この液体の分注システムにおいては、まず、第１バルブ３０４を開くとともに第２バルブ３０６、第３バルブ３１０、第４バルブ３１２および第５バルブ３１４を閉じて、体積定量チャンバー３０８を備えた微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐｂを負圧にし、チャンバー３０２−１〜３０２−３を備えた微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐｂを中立にすると、第１バルブ３０４を通って体積定量チャンバー３０８内にリザーバー３００内の液体が吸入されることになる（図８（ａ）参照）。
【００６６】
しかしながら、体積定量チャンバー３０８を備えた微量液体制御機構１０の体積定量チャンバー３０８側の領域の圧力Ｐａから第２導管１８側の圧力Ｐｂを減算した値たる圧力差（Ｐａ−Ｐｂ）を臨界圧力差△Ｐｃ以下にすれば、液体が体積定量チャンバー３０８を備えた微量液体制御機構１０のベント１４の微細管１２内には浸入することはない。
【００６７】
次に、第１バルブ３０４を閉じるとともに第２バルブ３０６および第３バルブ３１０を開き、かつ、第４バルブ３１２および第５バルブ３１４を閉じて、体積定量チャンバー３０８を備えた微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐｂを正圧にし、その一方で、チャンバー３０２−１を備えた微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐｂを負圧にし、さらに、チャンバー３０２−２〜３０４−３を備えた微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐｂを中立にすると（図８（ｂ）参照）、体積定量チャンバー３０８内の液体はチャンバー３０２−１内へ移動されることになる。体積定量チャンバー３０８内の液体がチャンバー３０２−１内へ移動されたならば、第３バルブ３０６を閉じるとともに、チャンバー３０２−１を備えた微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐｂを中立にする。
【００６８】
さらに次に、第１バルブ３０を開くとともに第２バルブ３０６、第３バルブ３１０、第４バルブ３１２および第５バルブ３１４を閉じて、体積定量チャンバー３０８を備えた微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐｂを負圧にし、チャンバー３０２−１〜３０２−３を備えた微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐｂを中立にすると、第１バルブ３０４を通って体積定量チャンバー３０８内にリザーバー３００内の液体が再度吸入されることになる（図９（ｃ）参照）。
【００６９】
それから、第１バルブ３０４を閉じるとともに第２バルブ３０６および第４バルブ３１２を開き、かつ、第３バルブ３１０および第５バルブ３１４を閉じて、体積定量チャンバー３０８を備えた微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐｂを正圧にし、その一方で、チャンバー３０２−２を備えた微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐｂを負圧にし、さらに、チャンバー３０２−１および３０４−３を備えた微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐｂを中立にすると（図９（ｄ）参照）、体積定量チャンバー３０８内の液体はチャンバー３０２−２内へ移動されることになる。
【００７０】
体積定量チャンバー３０８内の液体がチャンバー３０２−２内へ移動されたならば、第２バルブ３０６および第４バルブ３１２を閉じるとともに、チャンバー３０２−２を備えた微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐｂを中立にする（図１０（ｅ）参照）。
【００７１】
さらに、チャンバー３０２−３に関しても、上記と同様な処理を行うことにより、リザーバー３００から体積定量チャンバー３０８を経由してチャンバー３０２−３内に液体を注入することができる。
【００７２】
なお、上記した実施の形態においては、ベント１４の微細管１２をシリコーンゴムで形成するようにしたが、これに限られることなしに、数ミクロン以下の加工が可能であり、かつ、表面が疎液性であるか、あるいは、疎液性に改質が可能である材料であるならば、任意の材料を用いて形成することができる。
【００７３】
例えば、シリコンを陽極化成によりポーラス加工したものは、ベント１４の微細管１２の材料として用いることができる。このシリコンをポーラス加工したものは、表面だけでなく内部にまで微細な穴が形成されているため、液体に対する抵抗を保ったままで空気に対する抵抗を小さくすることができるので、ベント１４の微細管１２の材料としては良好なものである。
【００７４】
また、加工後にフッ化炭素膜などで疎液性に改質する場合には、現在マイクロマシニングされている全ての材料が、ベント１４の微細管１２の材料として使用可能である。
【００７５】
即ち、ベント１４の微細管１２は、例えば、シリコンやガラス基板をエッチング（なお、エッチングとしては、異方性エッチングが好ましい。）加工したり、シリコンやガラス基板にフォトレジストをつけて現像したり、ＰＭＭＡをレーザーアブレーションで加工したり、感光性ＰＭＭＡを硬Ｘ線で加工したり、金属を電鋳したり、樹脂を射出成形したりして製造することができる。
【００７６】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、簡潔な構成により容易に製造することができ、しかも耐圧に理論的な限界値のない圧力を利用した微量液体制御機構を提供することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による微量液体制御機構の実施の形態の一例を示す概念構成説明図である。
【図２】 本発明による微量液体制御機構の製造方法の一例を示す説明図である。
【図３】 本発明による微量液体制御機構を用いた実験結果を示す液滴の移動状態を示す概念構成説明図である。
【図４】 本発明による微量液体制御機構の他の実施の形態による液滴の移動状態を示す概念構成説明図である。
【図５】 本発明による微量液体制御機構と組み合わせて使用することが可能なマイクロバルブの一例を示す概略断面構成説明図である。
【図６】 本発明による微量液体制御機構を用いた体積定量システムを示す概念構成説明図である。
【図７】 図６に示す体積定量システムの動作状態を示す概念構成説明図である。
【図８】 本発明による微量液体制御機構を用いた液体の分注システムの動作状態を示す概念構成説明図である。
【図９】 本発明による微量液体制御機構を用いた液体の分注システムの動作状態を示す概念構成説明図である。
【図１０】 本発明による微量液体制御機構を用いた液体の分注システムの動作状態を示す概念構成説明図である。
【符号の説明】
１０ 微量流体制御機構
１２ 微細管
１４ ベント
１６ 第１導管
１８ 第２導管
２０ 液滴
２２ 第１ポンプ
２４ 第２ポンプ
Claims (5)
- 圧力を利用して液体を任意の位置へ移動させるようにした微量液体制御機構において、
微量の液体を導入する第１の導管と、
前記第１の導管より細径であるとともに断面の幅と高さがμｍオーダーの大きさに形成され、一方の端部が前記第１の導管と連通するように連接された細管と、
前記細管より大径に形成されるとともに、前記細管の他方の端部と連通するように連接された第２の導管と
を有し、
前記細管の少なくとも内壁面は疎液性に形成され、
前記第１の導管内に微量の前記液体を導入した際に、前記液体を境界とした前記第１の導管側の圧力と前記第２の導管側の圧力との圧力差を前記液体が前記細管内へ浸入することのない臨界圧力差以下であるように制御して、前記第１の導管側の圧力と前記第２の導管側の圧力との圧力差に応じて前記第１の導管中の前記液体の位置を任意に制御する
ことを特徴とする微量液体制御機構。 - 請求項１に記載の微量液体制御機構において、
前記細管は、複数形成されており、
前記複数形成された細管のなかの一部は、前記第１の導管の端面と連接され、
前記複数形成された細管のなかの残部は、前記第１の導管の周壁面に前記第１の導管の軸方向に沿って順次に連接されている
ことを特徴とする微量液体制御機構。 - 圧力を利用して液体を任意の位置へ移動させるようにした微量液体制御機構において、
内部に液体を貯留したリザーバーと第１のマイクロバルブを介して接続されて、前記第１のマイクロバルブの開閉に応じて前記リザーバーから微量の前記液体を導入するとともに、前記液体が移動されるチャンバーと第２のマイクロバルブを介して接続されて、前記第２のマイクロバルブの開閉に応じて前記リザーバーから導入された微量の前記液体を前記チャンバーへ移動する第１の導管と、
前記第１の導管より細径であるとともに断面の幅と高さがμｍオーダーの大きさに形成され、一方の端部が前記第１の導管と連通するように連接された細管と、
前記細管より大径に形成されるとともに、前記細管の他方の端部と連通するように連接された第２の導管と
を有し、
前記細管の少なくとも内壁面は疎液性に形成され、
前記第１の導管内に微量の前記液体を導入した際に、前記液体を境界とした前記第１の導管側の圧力と前記第２の導管側の圧力との圧力差を前記液体が前記細管内へ浸入することのない臨界圧力差以下であるように制御して、前記第１の導管側の圧力と前記第２の導管側の圧力との圧力差に応じて前記第１の導管中の前記液体の位置を任意に制御するものであり、
前記第１のマイクロバルブを開くとともに前記第２のマイクロバルブを閉じ、前記第２の導管側の圧力を負圧にして、前記第１のマイクロバルブを通して前記第１の導管内に前記リザーバー内の微量の前記液体を導入し、
前記第１のマイクロバルブを閉じるとともに前記第２のマイクロバルブを開き、前記第２の導管側の圧力を正圧にして、前記第１の導管内の微量の前記液体を前記第２のマイクロバルブを通して前記チャンバー内へ移動する
ことを特徴とする微量液体制御機構。 - 請求項３に記載の微量液体制御機構において、
前記チャンバーは、複数形成されており、
前記複数形成されたチャンバーのそれぞれは、一方の端部に前記第２のマイクロバルブが連接され、他方の端部に前記チャンバーより細径であるとともに断面の幅と高さがμｍオーダーの大きさに形成された細管の一方の端部が連通するように連接され、
前記チャンバーに接続された細管の他方の端部に、前記チャンバーに接続された細管より大径に形成された第３の導管が連通するように連接されていて、
前記チャンバーに接続された細管の少なくとも内壁面は疎液性に形成され、
前記複数のチャンバーのそれぞれは、前記チャンバー内に微量の前記液体を導入した際に、前記液体を境界とした前記チャンバーの圧力と前記第３の導管側の圧力との圧力差を前記液体が前記チャンバーに接続された細管内へ浸入することのない臨界圧力差以下であるように制御して、前記チャンバー側の圧力と前記第３の導管側の圧力との圧力差に応じて前記チャンバー中の前記液体の位置を任意に制御する
ことを特徴とする微量液体制御機構。 - 請求項３または請求項４のいずれか１項に記載の微量液体制御機構において、
前記細管は、複数形成されている
ことを特徴とする微量液体制御機構。
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