JP3732160B2

JP3732160B2 - 弾性材質からなる基板内で流体を移動させる方法及びその装置並びにそれを利用した機器

Info

Publication number: JP3732160B2
Application number: JP2002212152A
Authority: JP
Inventors: ハン，ジョン・フーン; リン，クァンソウプ; ナ，キフーン; キム，スーイェオン; パク，ジェ・キュウン
Original assignee: エルジー電子株式会社; 浦項工科大学校
Priority date: 2001-07-24
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2022-07-22
Also published as: EP1279832B1; JP2003121313A; DE60215423D1; US20030026719A1; EP1279832A3; KR100421359B1; DE60215423T2; EP1279832A2; US6810713B2; KR20030009858A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分析及び合成などの過程で必要とされる微量の流体を基板内で流す方法及びその装置に係るものである。詳細には、片面に微細チャネルが形成された弾性材質からなる基板に他の基板を接合させた構造の微細チャネルを備えた基板を構成させて、その基板の外から回転子を利用して基板内部の微細チャネルに圧力を加えることで、微細チャネル内部の流体を移動させるようにした流体を移動させる方法及びその装置並びにそれを利用した機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、科学技術の発展に伴って多様な分野で小型化及び自動化に対する関心が高まっている。小型化は、装置のサイズ及び重量を低減させるだけでなく、装置を作動させるための電力消耗を低減し得るので携帯用実験装備の開発が容易になると共に、実験に必要な試料や試薬の量も画期的に低減させることができ、高価な試料や試薬を使用する多くの実験を経済的に行うことができるというメリットがある。また、自動化は、実験で行われる数多くの過程を人間以外の機械的機構により自動的に行うことができるメリットがある。即ち、実験室で行われる各実験は、それぞれ独立している過程を並列にまたは順次行うものがほとんどで、それら各過程は大量の労働力及び時間を必要とするため、実験の連続性及び効率性が大幅に低下するだけでなく、実験の不正確性が発生する原因となることがある。従って、実験の自動化が実現されると、実験の各過程が人間でなく機械的な手段により行われるので、実験の連続性及び効率性が大幅に増大して労働力及び時間が大幅に節減されると共に、実験の正確度が高くなる。
【０００３】
一方、半導体技術の発展に伴って微細加工技術が向上したのに伴い、実験・研究設備の小型化及び自動化を同時に実現させようとする努力が行われている。例えば、ラボオンチップ（Lab-on-a-chip）がある。すなわち、半導体分野で広く用いられているフォトリソグラフィや微細加工技術を利用し、ガラス、シリコンまたはプラスチックからなる数ｃｍ^２の大きさの基板のチップに、多様な装置を集積させた化学マイクロプロセッサーが開発されている。これにより、高速、高効率及び低費用の自動化された実験が可能となった（Kovacs, Anal. Chem. 68(1996)407A-412A）。このラボオンチップように一個のチップ内に実験過程で必要な複数の装置を集積させることで小型化させ、チップ内で実験をするための各過程を連続的に行うように自動化すると、多様な分野で実験に必要な労働力及び費用を節減しながら一層効率的に実験を行うことができる。
【０００４】
また、新しい技術的戦略として、新薬の探索や新物質の開発分野で数十万個の化合物ライブラリーを利用した確率的な接近方法がかなり威力を発揮しているため、組み合わせた化学技法を利用した化合物ライブラリーを構築して、それらを分析する研究が進行されており、このような研究を行うためにラボオンチップを利用して多種の試料を同時に合成または分析できる高速、高効率及び低費用の小型化及び自動化された実験方法を開発しようとする努力が行われている。
【０００５】
このような小型化及び自動化には溶液を用いる。しかし、従来の溶液を用いるための方法は様々な理由で極微量の溶液の扱いには適していない。即ち、最小移動量や移動条件などの多くの要素が極微量の溶液移動に適しない。多量の溶液移動には困難でなかった多くの要因が極微量の溶液移動には深刻な問題を起こすことがある。例えば、チャネルに溶液を流す場合、移動される溶液とチャネルの内壁間で発生する表面張力との影響により溶液が望まない方向に移動されたり、效果的に移動されないことがある。また、チャネルの内部で溶液が流れるときに発生する背圧の増加によって移動に必要な圧力が大幅に増加したり、若しくは、チャネル内で溶液が蒸発されて正確な量の移動が困難になるという問題があった。
【０００６】
一般に、極微量の溶液を微細チャネルで移動させる方法としては、電場を利用する方法が広く用いられている。この方法は、溶液の充填された微細チャネルの両端に電圧を掛けたときに発生する毛細管電気浸透現象を利用して、別のポンプまたはバルブを用いずに溶液の流れを制御し得るだけでなく、毛細管電気泳動を利用して試料を分離し得るため、チップ上で試料を分析することができる（Harrison, Science 261(1993)895-897;Jacobson, Anal. Chem. 66(1994)4127-4132;Li, Anal. Chem. 69(1997)1564-1568;Kopp, Science 280(1998)1046-1048）。このような電場を利用する方法は、装置が簡単であるため、ラボオンチップのように微細チャネル内に溶液を流す分野では最も広く用いられている方法である。
【０００７】
その他にも、極微量の溶液を精密に移動させる方法として、外部のマイクロポンプを微細チャネルに連結して溶液を移動させる方法が挙げられ、そのために連動式ポンプ（peristaltic pump）、注射器ポンプ、または、ＨＰＬＣポンプが利用されるか、若しくは、圧縮空気を利用する（Hosokawa, Anaｌ. Chem. 72(1999）4781-4785）方法などが利用されている。
【０００８】
また、外部のマイクロポンプをチップ内部の微細チャネルに連結させる方法の他に、チップ内にマイクロポンプを直接実装して溶液を移動させる方法として、チップ内部にダイヤフラムを形成して圧電素子を利用するか（Andersson, Sens. Actuators B72(2001)259-265;Nguyen, Sens. Actuator A(2001), 104-111)、空気圧(Scomburg, J. Micromech. Microeng. 3(1993)216-218）を利用して前記ダイヤフラムを振動させることで溶液を移動させるオンチップ型隔膜ポンプ、または、チャネル内部における電気化学的反応によりチャネルの内部に空気気泡を形成して溶液を移動させる方法（Bhm, Proceedings of the Transducers, Sendai, Japan, 1999. pp. 880-881）などが報告されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
然るに、このような従来の極微量の溶液を微細チャネルで移動させる方法においては、次のような不都合な点があった。
【００１０】
先ず、電場を利用する方法においては、電場を利用して溶液を流すので、一つ以上のチャネルが複雑に連結されている場合は、溶液の移動を調節することが困難で、溶液の流れが溶液の酸性度（ｐＨ）、イオン強度及び粘性の物理的特性に大きく影響を受けるため、多種の溶液を移動させる場合は正確な移動が困難若しくは不可能となる。
【００１１】
また、外部のマイクロポンプを微細チャネルに連結して溶液を移動させる方法は、ほとんどがマイクロリットル（μｌ：１０^−６ｌ）水準の溶液を移動させるとき利用される方法であり、ラボオンチップのように極微量の溶液を扱う分野で要求されるナノリットル（ｎｌ：１０^−９ｌ）またはピコリットル（ｐｌ：１０^−１２ｌ）水準の極微量の溶液を效果的に移動させるのには適さず、また、適合させるようとすると高価となる。且つ、外部のマイクロポンプをラボオンチップの微細チャネルに連結するためには、ポンプから微細チャネルまでに流体を充填させなければならないので、試薬及び試料の無駄が多くなり、溶液の移動のための圧力をチップの外部から加えるので、チップと外部のマイクロポンプとが連結される部位で流体が漏れることがある。そのため、精巧な設計及び組立が必要であるという不都合な点がった。
【００１２】
更に、チップ内にマイクロポンプを直接実装して溶液を移動させる方法は、溶液を移動させるための特別の構造や装置をチップの内部に実装しなければならないので、チップの製作が困難で、電気浸透圧ポンプと同様に流れる溶液の物理的な性質に影響を受けるので、多様な溶液を移動させる装置としては適合しないという不都合な点があった。
【００１３】
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもので、流体移動のための別途の機械的装置や構造を具備せず、多様な種類の流体を流体の物理的性質にかかわらずにｐｌ水準の極微量からｍｌ水準の微量まで所定速度で移動させることができる方法及びそのための装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、本発明に係る弾性材質からなり、内部に微細チャネルを有する基板で流体を移動させる方法は、基板上に歯車形態の回転子により機械的な圧力を加えて微細チャネルを圧した後、圧力を加えた状態で回転子を回転させることで、基板に周期的な圧力を加えて流体を移動させるようになっている。
【００１５】
その流体移動原理について図１に基づいて説明する。回転子１０の歯部１０１により微細チャネル２２の一部を圧した後、回転子の歯部１０１を回転させることで微細チャネルの押圧された部分を移動させると、微細チャネル内部に存在する流体Ｆが、押圧された微細チャネルの内壁により押されるか、引っ張られて移動する。
【００１６】
この時、回転子の回転軸は基板の表面と平行で、基板の上から見たときは微細チャネルと垂直に交差され、基板の表面に対して垂直方向で上下に移動できるようになっている。
【００１７】
また、回転子が回転する時、回転子の回転軸は微細チャネルの長さ方向には移動せず、回転により歯車が周期的に基板に接触しながらその接触点が移動することで、回転方向に沿って微細チャネルの内部の流体が移動する。
【００１８】
このように回転子自体は微細チャネルの長さ方向に移動しないので、回転子により圧力を受ける微細チャネルの範囲は、回転子の直径以内に限定され、また、流体は継続して一方向に移動させられるので、流体の供給が継続される限り、絶えず流体を流すことができる。
【００１９】
また、流体を継続的に供給するために基板の内部に流体を貯蔵する部分を形成させることも可能で、必要な流体量が内部の貯蔵限界を越える場合は、微細チャネルと外部の別の貯蔵容器とを管により連結して使用することもできる。
【００２０】
移動する流体量及び移動速度は、回転子により押圧される微細チャネルの内部の大きさ及び微細チャネルを機械的圧力によって圧すための回転子の回転速度により決定される。
【００２１】
本発明の特徴は、流体を移動させる手段が基板の内部に実装されていないことであって、流体を移動させるための構造物や機械装置を基板の内部に設けるための煩雑な製作過程を必要としないため、基板の設計及び製作が非常に容易である。
【００２２】
且つ、このような特徴により、本発明は、弾性材によって形成された全ての微細チャネルを有する基板をそのまま装置として利用することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に対し、図面に基づいて説明する。
１．弾性材質の基板で流体を移動させる装置
本発明を利用して基板内で流体を精密に移動させることができる装置は、図２に示したように、基板内部の微細チャネル２２に機械的な圧力を加えてチャネル壁を押圧するために、歯車形態の回転子１０を使用している。この回転子１０はステッピングモータ４０に取り付けられそのモータにより回転させられる。ステッピングモータ４０は手動式ｚ軸移動台５０に取り付けられている。したがって、ｚ軸移動台５０を手動で移動させて、基板の外部から回転子１０によって微細チャネル２２に機械的圧力を加えることができる。この回転子１０を基板上に垂直に降ろして基板表面と接触させるための機械的圧力を与える手段としては、上述したような手動式の他にも、モータ、ポンプ及び電磁石などのいずれかを利用して自動化することもできる。また、回転子１０を回転させる手段としては、ステッピングモータ４０の他にもＤＣモータまたはサーボモータなどを使用することもできる。
【００２４】
図３は、微細チャネルを備えた基板の製造工程の一例を示した工程図である。この例では、弾性高分子の一種のポリジメチルシロキサン（以下、ＰＤＭＳと略称す）を利用して微細チャネル基板を製作している。
【００２５】
図３（ａ）〜（ｇ）に示したように、本発明に係る基板の製造方法においては、半導体製作工程で使用されるフォトリソグラフィによりシリコンウエハで型を形成し、図３（ｅ）に示したように、ＰＤＭＳ板が形成されるプレポリマー（Sylgard 184、Dow Corning；Ａ：Ｂ＝１０：１）溶液を型上に注いだ後、７５℃のオーブンに入れて硬化させる。
【００２６】
次いで、図３（Ｆ）に示したように、硬化したＰＤＭＳ板から、型に形成された微細チャネル形態の突条により溝が形成されている部分の周辺を四角状に切取った後、その溝、すなわち微細チャネルの両端に直径３ｍｍ程度の孔を穿孔し、図３（ｇ）に示したように、ＰＤＭＳ板の溝の形成されている面に新しい基板を接合させると、溝の部分が毛細管形態の微細チャネルになる。この微細チャネルは、その幅を１００ｎｍ〜１０ｍｍ、深さを１００ｎｍ〜１ｍｍとすることが望ましい。
【００２７】
ここで、微細チャネルを形成する基板としては、ＰＤＭＳに限定されずに、機械的圧力を利用して微細チャネルを塞ぐことのできるあらゆる材質のものを使用することができ、弾性を有するゴム、シリコン系ゴムまたはプラスチックなどの高分子材料が挙げられる。
【００２８】
また、基板上に微細チャネルを形成する方法としては、上述したＰＤＭＳのように型に注いで硬化させる方法だけでなく、平らな板材を型で圧して形成するプレス方法、ホットエンボス方法及び機械的手段またはレーザーを利用して光や熱を加えて加工する方法などが使用される。
【００２９】
本発明によると、液体、気体を含む全ての流体を移動させることができる。以下、溶液を例として説明する。上述した装置の溶液導入部に移動させようとする溶液を充填させた後、回転子を回転させると、先ず微細チャネル内にあった空気が移動した後、溶液が移動されるので、チャネルの内部に予め溶液を充填させておく必要なく、そのまま使用することができる。本発明に係る装置で移動させる溶液の体積は、回転子により機械的な圧力で押圧される微細チャネルの断面積、回転子の回転速度及び回転子の構造により決定される。回転子の回転速度は、回転子に連結されたステッピングモータの回転速度によって決定される。ステッピングモータの回転速度は、ステッピングモータの角分解能及びステッピングモータに入力されるパルス信号の周波数によって決定される。本発明に係る流体移動装置に用いられたステッピングモータは、１゜／パルスの角分解能を有するものを使用し、パルス信号は所望の速度に適合するように数Ｈｚ〜数百Ｈｚ間の多様な周波数を用いることで回転子の回転速度を調節することができる。
【００３０】
本発明に係る流体を継続して供給する流体供給装置は、化合物または混合物の継続的供給を必要とする分野において単純な装置として適用し得るというメリットがある。ここで、継続的供給とは、同一速度で長時間供給すると共に、条件によっては流体の量を調節しながら供給することができるということである。このような応用分野の例としては、人間または動植物に薬物を供給する機器、化学／生物工程における化合物若しくは混合物の供給機器、その他、細胞及び微生物の培養器における培養液供給機器などが挙げられる。
【００３１】
２．弾性材質の単一チャネルを備えた基板で溶液を移動させる方法
前記図２に示した装置を用いて単一チャネルの基板を利用して溶液を效果的に移動させる方法に対して説明する。
【００３２】
図４は、弾性材質の単一チャネルを有する基板で溶液を移動させる方法を示したもので、溶液の移動速度は流速センサーを利用して測定することができるが、本発明においては、図示されたように、溶液と空気層間の境界面の移動距離を電荷結合素子を用いたカメラに連結されたモニターを利用して観測しながら移動時間を測定して、溶液の移動速度を計算できる。
【００３３】
即ち、図２に示した装置に、図５に示した単一チャネル２２を有する基板を装置の固定台に載せる。この例での単一チャネル２２を有する基板は、幅５０μｍ、深さ３０μｍ、長さ４ｃｍの微細チャネルを有する。溶液の移動距離を観測するために微細チャネルの側方に目盛りが切削されている。その目盛りは、図示の例では微細チャネルの中間部分から一方側に向かって配置されている。
【００３４】
手動式ｚ軸移動台５０を移動させて回転子１０が基板の微細チャネル２２を押圧するようにした後、ステッピングモータ４０に連結された回転子１０を回転させて溶液を微細チャネル２２の中間部分まで移動させる。この過程はカメラを利用して観察しながら行う。
【００３５】
溶液が微細チャネル２２の中間部分に到達するとステッピングモータ４０を停止させる。次に、ステッピングモータ４０の入力信号周波数を回転子１０の所望の回転速度になるように設定した後、回転子１０をその設定された速度で回転させながら溶液と空気層間の境界面が所定間隔の目盛りを通過するまでの時間を時計で測定する。ここで、目盛りの間隔は回転子１０の回転速度によって変えることもできる。
【００３６】
図６は、回転子１０の回転速度を変化させながら測定した溶液の移動速度を示したグラフで、図示されたように、移動速度は約５０ｐｌ／ｓｅｃ〜２．５ｎｌ／ｓｅｃであるが、回転子１０を回転させるモータ４０の性能を向上させ、潤滑剤を使用して回転子１０と基板間の摩擦を低減させると、回転子１０の回転速度が上昇して移動速度の範囲が広くなる。
【００３７】
また、溶液の移動速度は、チャネル２２の幅及び深さを変化させることで調節することができる。例えば、チャネル２２の幅及び深さがそれぞれ１０μｍ及び３μｍの基板を使用する場合は、図６に示した場合よりも１／５０に移動速度が低下するので、図４に示したように観測すると、１ｐｌ／ｓｅｃ〜５０ｐｌ／ｓｅｃの流体移動速度を得ることができた。一方、チャネル２２の幅が３ｍｍ、深さが１ｍｍの微細チャネル２２基板を使用する場合は、溶液の流れ速度は０．１μｌ／ｓｅｃから５μｌ／ｓｅｃで調節される。
【００３８】
このように用途に応じて微細チャネル２２の幅及び深さを調節することで移動の速度の範囲を調節することができる。また、回転子１０の回転速度を調節することで移動溶液の移動速度を自由に調節することができる。
【００３９】
３．単一チャネルを有する基板で多様な性質の溶液を流す方法
一般に極微量の溶液を移動させるために使用されるほとんどの装置は、多様な種類の溶液を精密に移動させるために、各溶液の物理的特性によって溶液を流す条件を変化させなければならない。例えば、電気浸透現象を利用して溶液を移動させる方法は、溶液の組成によって電気浸透流れの速度が変化するため、所望の速度を得るためには、先ず、生成される電場の強度を変化させながら各電場の強度に対する速度を測定することで、予め電場の強度と速度との関係を実験前に把握しておかなければならない。これに対して、本発明の場合は、微細チャネルが押圧された後、その押圧された部分を移動させて溶液を流すようになっているので、移動させようとする溶液の物理的な性質にかかわらずに溶液を所定の速度で移動させることができる。
【００４０】
即ち、図２に示したような単一チャネルを有する基板を利用すると、多様な溶液をその溶液の物理的な性質にかかわらずに同一速度で移動させることができる。
【００４１】
以下具体的例について説明する。上記２．に記載の方法を用いて、幅５０μｍ、深さ３０μｍの微細チャネル２２を有する基板を使用し、回転子１０を回転させるステッピングモータ４０には１００Ｈｚ及び１６０Ｈｚのパルス信号を入力する。
【００４２】
図７は、このようにして多様な溶液を移動させた結果を示す流量と溶液の粘度を示した図で、２つの速度に対し、溶液の酸性度、粘度及びイオン強度などが相違する各溶液の移動速度が、溶液の種類にかかわらずに同じであることが示されている。
【００４３】
４．溶液の流れから脈動を低減させる方法
本発明において、溶液の流れは、連続的でなく脈動的な性質を有する。その理由は、図１に示したように、回転子の歯部１０１により微細チャネル２２の内壁を押圧しているので、歯部１０１と歯部１０１との間によって、移動する溶液の流れに溶液が存在しない部分が生じるからである。このような特徴は、一般のマイクロポンプでしばしば現れる問題点であって、単に溶液を移動させるだけの場合は大した問題ではないが、所定速度の連続的な流れを必要とする分野では大きな問題点となる。
【００４４】
図８は、本発明によって溶液を移動させる時、溶液の流れの脈動的な性質を減少し得る装置を示したものである。この装置は、図２に示した流体移動装置のように一個の回転子１０と一つの微細チャネル２２を使用して溶液を移動させる方法とは異なって、図８及び図９（Ａ）に示したように、独立的な二本の微細チャネル２２ａ、２２ｂを設けておき、それぞれのチャネル用に回転子１０ａ、１０ｂを配置し、それぞれのチャネルで溶液を移動した後、それらの微細チャネルが連結された部分Ａで合流するように構成されている。二個の回転子は、図９（Ｂ）に示したように、同じ構造で、双方の回転子の歯部が交互に位置するように配置されている。このような構造の二個の回転子と二本の微細チャネルを使用する場合、それぞれの微細チャネルでは脈動的な流れとなるが、両微細チャネルの何れか一方が最低流速を示すときに他方の微細チャネルは最高流速を示すので、交互に溶液を押すようになり、溶液が合流する部分Ａでは溶液の流れの脈動性が低減される。このような特徴を利用すると、溶液の流れが脈動的であると問題が発生する分野にも本発明を適用することができる。
【００４５】
5．リアルタイムで試料をモニターリングする装置
図１０は、時間によって構成成分が変化する試料に含まれた特定成分の濃度変化を本発明の方法を利用してリアルタイムでモニターリングする装置を示したものである。この方法は、工場の排出液または流体からなる商品の品質管理のようにリアルタイムモニターリングを必要とする分野に適用される。
【００４６】
図１０に示したように、試料導入部２５を介して分析しようとする試料をリアルタイムで基板内部に導入させ、反応試薬３４を利用して反応部１１で化学反応を発生させるようにして、導入された試料を検出できるように処理した後、それを検出してリアルタイム分析を行う。
【００４７】
また、基板内部の微細チャネルにおける反応試薬３４と試料との反応を１ヶ所だけで発生させるのではなく、図１０に示したように微細チャネルの構造を変形させると、順次または並列的に試料が他の反応試薬３４と反応するように形成することもできる。すなわち、チャネルを三つ以上形成させることができ、さらに、目的に応じてそれらのチャネルが合流する位置を変えることもできる。また、微細チャネルにバルブ部を導入すると、試料または反応試薬３４が継続的に供給されず、所定かたまりとして微細チャネルに沿って移動するように形成することもきる。更に、このように試料がかたまりとして微細チャネルを沿って移動するように形成し、その試料が流れる微細チャネル部分にクロマトグラフィのカラム物質を充填するかまたはチャネルの内壁にコーティングすると、試料を微細チャネルに沿って移動させながら分離し、それを検出器により検出することで微細チャネルでクロマトグラフィの分析機能を行わせることもできる。
【００４８】
このような原理を独立的にまたは複合的に使用して化合物を分析する装置を構成することができる。このような分析装置は、新薬探索装備、生化学的分析器、試料前処理、分子診断機器、環境汚染分析機器、化学または生化学武器探知及び識別機器、化学または生物工程モニタリング装備、医療診断機器及び健康検診機器などに使用することができる。
【００４９】
6．連続的に反応を行う装置
一般に、化学反応の進行過程は、独立的な多様な過程を段階別に行うようになっている。従って、所望の量だけの最終生成物を得るためには、反応開始前に、各段階別の反応の収率によって、所望の量の最終生成物を得ることができる反応開始物の量を計算して反応を開始しなければならない。これに対して、反応を継続的に行うことができれば、反応を開始した後、所望量の物質が得られた時点で反応を終結させることができるので、多くの分野で效果的に反応実験を行うことができる。
【００５０】
図１１は、本発明によって継続的に反応を行うことができる装置を示したものである。本装置においては、導入部３６から反応試薬を継続的に基板内部に導入し、反応部１４にて反応を行わせて、排出部３７に生成物を集める方法により達成されている。且つ、基板には、反応の生成物から副産物を除去するための抽出、分離及び／または精製の工程を包含させることができる。
【００５１】
このような方法は、所望の量だけの物質を得る工程や、絶えず同一反応を行わせる工程に非常に效果的に応用される。即ち、大量合成の必要のない精密化学製品の生産において、手作業で行われていた既存の合成過程を、小さい反応用基板を使用して連続的に必要な量だけ生産することに代替するという一種の自動化された小規模の化学工場を構成することができる。また、本発明は、基板内の微細チャネルの構造を変化させ、すなわちチャネルの構造を変えた基板を用意することで多様な化学工程を実施できるというメリットを有する。
【００５２】
７．回転子に小型ローラを結合させて抵抗を低減させる方法
上述したように歯車形態の回転子を使用する場合、回転子の歯部と基板の表面の間の摩擦により基板が損傷される問題が発生する可能性があるので、回転子を速い速度で回転させることができなくなる。そこで、基板を交替せずに迅速な移動速度を得るために、図１２に示したように、回転子の各歯部の先端に小型ローラをそれぞれ装着し、それら小型ローラが基板を押圧するように設計された回転子６０を用いる。このような回転子は、回転子が基板を圧した状態で回転する時、回転子の歯部と基板の接触面間の摩擦が小さいので、基板が損傷されることなく迅速に回転して、速い移動速度を得ることができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る弾性材質からなる基板内で流体を移動させる方法及びその装置においては、既存の装置では困難であったピコリットル（ｐｌ）水準の極微量からミリリットル（ｍｌ）水準の微量な溶液を溶液の種類にかかわらずに效果的に移動させることができるという効果がある。
【００５４】
且つ、本発明に係る弾性材質からなる基板を備えた基板内で流体を移動させる方法及びそのための装置においては、極微量の溶液を取扱う全ての分野、例えば、組合せ化学技術によって同時に多種類の物質を合成する新物質の開発分野、または、同時に多種の物質の性質を確認する新薬探索分野、酵素、蛋白質、ＤＮＡ、神経伝達物質などのような極微量の生理活性物質を扱う生命科学分野、若しくは環境汚染物質や生化学武器の探知／識別のための携帯用分析装備の開発分野、及び家庭用臨床診断装備の開発分野などで極微量の溶液を效果的に移動させることができる手段として利用し得るという効果がある。
【００５５】
特に、ラボオンチップのように、一個の基板内で物質の合成または試料の分析のような多くの化学的な過程が行われる場合に本発明を適用することが可能で、基板内部に複雑な装置や構造物を備えることなく、極微量の溶液を效果的に流すことができるので、基板の設計及び製作が非常に簡単になり、結果的にラボオンチップの研究及びその実用化に広く用いることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る弾性材質からなる基板を備えた基板内で流体を移動させる方法の原理を示した説明図で、微細チャネルを押圧するる回転子の回転歯部により微細チャネル内部の流体が移動される過程を示した図である。
【図２】本発明実施形態に係る極微量の流体を移動させる装置を示した斜視図である。
【図３】ポリジメチルシロキサン（以下、ＰＤＭＳと略称す）材質の微細チャネルチップの製造過程を示した工程図であって、
（ａ）シリコンウエハを示した斜視図、
（ｂ）感光剤をスピンコーティングした状態のウェハ斜視図、
（ｃ）フォトマスクを覆って紫外線を露光することを示した斜視図、
（ｄ）現像液に浸漬させて露光されてない部分を残した他を除去して得た型の斜視図、
（ｅ）ＰＤＭＳプレポリマーを注いでオーブンに入れて固めた後の斜視図、
（ｆ）ＰＤＭＳ層を剥し、ＰＤＭＳ板を貫通する孔を開けて溶液注入口を形成した斜視図、
（ｇ）チャネルの形成された面に基板を付着した斜視図である。
【図４】本発明実施形態に係る単一チャネルの形成実験方法を示した平面図である。
【図５】本発明実施形態に係る目盛りの付着された単一チャネルを示した平面図である。
【図６】本発明実施形態に係る回転子を回転させるステッピングモータに入力されるパルス信号に対応する溶液の移動速度を示したグラフである。
【図７】本発明実施形態に係る多様な種類の溶液を移動した結果を示したダイヤグラムである。
【図８】本発明実施形態に係る溶液の流れから脈動的な性質を低減し得る極微量流体移動装置を示した斜視図である。
【図９】本発明実施形態に係る歯が交互に配置される構造の二重回転子を示した構成図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。
【図１０】本発明実施形態に係るリアルタイムで試料をモニターリングする装置を示した斜視図である。
【図１１】本発明実施形態に係る連続的に反応を行う微量の流体移動装置を示した斜視図である。
【図１２】本発明実施形態に係る回転子の歯部に小型ローラを結合させて、チップとの接触面の摩擦を低減させた回転子を示した斜視図である。
【符号の説明】
１０：回転子２１：上部基板２２：微細チャネル２３：下部基板
３０：溶液導入部３１：溶液排出部Ｆ：流体

Claims

内部に微細チャネルが形成された弾性高分子材質の平らな表面を有する基板の外部から、周囲に所定の間隔で歯を備えた回転する回転子の歯を利用して、前記基板の表面に周期的に機械的圧力を加えて前記微細チャネルの内部の流体を移動させることを特徴とする流体移動方法。
前記回転子の直径以内の長さ範囲内で、前記微細チャネルに圧力を加える位置及び圧力を周期的に変化させることを特徴とする請求項１記載の流体移動方法。
前記基板に加えられる機械的圧力は、前記基板と垂直方向であることを特徴とする請求項１記載の流体移動方法。
前記流体の移動方法は、反応、分離、混合、抽出、精製、濃縮及び／または滴定などの過程を単独で、または、複合的に行って化合物若しくは混合物の分離、分析または合成を行うことを特徴とする請求項１記載の流体移動方法。
前記微細チャネルの一部は、クロマトグラフィのコラム機能を行うことで、化合物を分離する目的に使用されることを特徴とする請求項１記載の流体移動方法。
前記基板は、独立的に形成されるか、または、相互連結される部分を有した２本以上の微細チャネルを有することを特徴とする請求項１記載の流体移動方法。
各溶液が充填された２本以上の微細チャネルを２個以上の回転子により制御するか、または、１個の回転子により同時に制御することを特徴とする請求項１または６に記載の流体移動方法。
前記移動させられる流体は、気体、水溶液、有機または無機溶液及び粒子を含む液体若しくは気体のいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の流体移動方法。
前記移動させられる流体は、基板の微細チャネル内部の流体及び、微細チャネルと連結された別の通路を介して微細チャネルに流入される外部の流体を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の流体移動方法。
内部に微細チャネルを有する弾性高分子材質の基板と、
外部から前記基板の表面に周期的に圧力を加えるように周囲に所定の間隔で歯を備えた、加圧手段としての回転子と、
前記回転子に連結されたモータが装着されたｚ軸移動台と
を備えていることを特徴とする流体移動装置。
前記基板は、片面に微細チャネルが切削形成された基板と、その基板の微細チャネルが形成された面に接合される基板とにより構成されることを特徴とする請求項１０記載の流体移動装置。
前記微細チャネルの幅は１００ｎｍ〜１０ｍｍ、深さは１００ｎｍ〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１０記載の流体移動装置。
前記弾性高分子は、ゴム、シリコン系ゴム及びプラスチックからなる群から選択されることを特徴とする請求項１０記載の流体移動装置。
前記微細チャネルは、成形、プレス、ホットエンボス、機械加工及びレーザー加工中いずれか一つの方法により形成されることを特徴とする請求項１０記載の流体移動装置。
前記回転子と前記基板間の接触面に潤滑剤が使用されることを特徴とする請求項１１記載の流体移動装置。
前記回転子の回転軸に平行な回転軸を有する複数のローラにより前記回転子が構成され、前記各ローラは前記回転軸を中心にそれぞれ等角に配列されることを特徴とする請求項１０記載の流体移動装置。
前記歯車形態の回転子は、各歯部に前記回転子の回転軸に平行な回転軸を有する小型ローラーが装着され、それらの小型ローラーが前記微細チャネルを有する基板を押圧するように設計されたことを特徴とする請求項１０記載の流体移動装置。
前記基板に圧力を加えるために、機械的支持力、摩擦力、スプリング、電磁気力、油圧及び気圧中いずれか一つを使用することを特徴とする請求項１０記載の流体移動装置。
移動させられる流体は、気体、水溶液、有機または無機溶液、及び粒子を含む液体または気体中いずれか一つ以上を含むことを特徴とする請求項１０記載の流体移動装置。
前記基板は、独立に形成されるか、または、相互に連結された部分を有する２本以上の微細チャネルを有することを特徴とする請求項１０記載の流体移動装置。
各溶液が入っている２本以上の微細チャネルを、２個以上の回転子により制御するか、または、１個の回転子により同時に制御することを特徴とする請求項１０記載の流体移動装置。
前記微細チャネルの一部は、クロマトグラフィのコラム機能を行って、化合物の分離目的で使用されることを特徴とする請求項１０記載の流体移動装置。
ラボオンチップシステムとして形成されることを特徴とする請求項１０〜２２中何れか一つに記載の流体移動装置。
請求項１０〜２３の何れか一つに記載の流体移動装置を用いることを特徴とする化合物分析器。
請求項１０〜２３の何れか一つに記載の流体移動装置を用いることを特徴とする化合物合成器。
請求項１０〜２３の何れか一つに記載の流体移動装置を用いることを特徴とする医療機器。