JP3905070B2 - 圧力供給装置 - Google Patents

Description

本発明は基板内にマイクロチャネルと呼ばれる微細流路やポートなどの極微細構造を有するマイクロチップにおける流体制御のための圧力供給手段に関する。更に詳細には、本発明は圧力タンクを使用することからなる、マイクロチップにおける流体制御のための圧力供給手段に関する。

最近、マイクロスケール・トータル・アナリシス・システムズ（μＴＡＳ）又はラブ・オン・チップ(Lab-on-Chip)などの名称で知られるように、基板内に所定の形状の流路を構成するマイクロチャネル及びポートなどの微細構造を設け、該微細構造内で物質の化学反応、合成、精製、抽出、生成及び／又は分析など各種の操作を行うことが提案され、一部実用化されている。このような目的のために製作された、基板内にマイクロチャネル及びポートなどの微細構造を有する構造物は総称して「マイクロチップ」と呼ばれる。

マイクロチップは遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニング及び環境モニタリングなどの幅広い用途に使用できる。常用サイズの同種の装置に比べて、マイクロチップは(1)サンプル及び試薬の使用量が著しく少ない、(2)分析時間が短い、(3)感度が高い、(4)現場に携帯し、その場で分析できる、及び(5)使い捨てできるなどの利点を有する。

しかし、これらのマイクロチップにおいては、反応液、試薬溶液、サンプル溶液などの液体成分類を正確に秤量し、かつ、チップ内のチャネルの所望の位置に正確に送達させなければならない。このため、マイクロチップの開発と共に、チップ内で液体成分類を正確に秤量し、秤量された液体成分類を任意の位置へ正確に送達する手段の開発が強く求められてきた。

マイクロポンプなどを用いて流体（例えば、液体）を直接吐出・吸引する流体制御手段に対し、気体圧力を用いた流体制御では、圧力発生手段と、対象とする流体とのコンタミネーションが回避されたり、配管のデッドボリュームの影響が少ないといった利点がある。しかし、一方では、気体の圧力制御だけでは流体の容量や流量などを定量的に制御することが困難である。そのため、例えば、特許文献１では、マイクロチャネルに毛細管現象を用いて液体を導き、定量的な秤取を実現している。また、非特許文献１では、マイクロチャネルに疎水性と親水性の部分を選択的に作り分けることにより、液体の秤取や移送を行っている。

特開２０００−２７８１３号公報 K.Handiqueら、「Microfluidic flow control using selective hydrophobic patterning」、Proceeding of SPIE Conference on Micromachined Devices and Components、Vol.3224、1997年、p.185-194

本願発明者らも、先に「液体注入構造及び該構造を有するマイクロチップ」を発明し、特願２００３−１８０５６７号として特許出願している。その液体注入構造の概要を図８に示す。図８に示されるように、マイクロチャネルの容積部Ａと容積部Ｂが細管により接続されている。（ａ）に示すように、予め或る所定容量に分取された微量液体が容積部Ａとそれに接続された細管内に連続して満たされているとする。この状態から容積部Ａと容積部Ｂとの間に気体により差圧を発生させ、（ｂ）の注入過程を経て、（ｃ）に示すように容積部Ａにあった液体を細管を通して容積部Ｂに注入して停止させようとするものである。この先願発明のポイントは、差圧あるいは適正な圧力範囲に保つことで、（ｂ）の注入が継続され、そのまま（ｃ）の状態になると、注入が自動的に停止するというものである。
以後、説明を簡単化するため、各容積部や細管の管内壁は親水性であるとし、注入する液体は水とする。（ｂ）の注入過程では、水と気体との界面が容積部Ａと容積部Ｂに存在し、それぞれ界面Ａ、界面Ｂとする。各容積部の断面形状をほぼ同等なものとすると、界面Ａと界面Ｂにおける水と管内壁との間で発生する界面力も、その大きさはほぼ同等で、方向のみが逆になる。よって、この状態では、界面Ａと界面Ｂの界面力は打ち消し合い、僅かな差圧により水は注入を継続する。そして、（ｃ）に示す注入が完了した状態に達すると、容積部Ｂの界面Ｂに変化はないが、容積部Ａ側において水は細管内で界面Ｃを形成する。このとき、細管の断面形状を容積部Ｂよりも小さく形成すると、界面Ｂと界面Ｃでは界面力に大きな差を生じる。すなわち、毛細管現象により水は細管内に留まろうとする。
よって、差圧を、注入が継続する最低圧力以上で、かつ、水が細管内に留まることができる最高圧力以下に保持することで、注入は自動的に停止する。この圧力範囲をここでは「注入圧力」と呼ぶこととする。
図８に示すような液体注入構造では更に、（ａ）の注入前の状態から（ｂ）の注入過程に移行する上で工夫を要する。すなわち、容積部Ｂ側で水は細管内で界面Ｄを形成し、容積部Ａ内の界面Ａとの間に界面力の差を生じ、水は細管内に満たされた状態で安定している。この安定状態を破って注入過程（ｂ）に移行するには、瞬間的に大きさな差圧を必要とする。この圧力を「注入開始圧力」と呼ぶこととする。

図８に示すような液体注入構造において液体を注入するのに必要とされる気体の圧力プロファイルをまとめると図９のようになる。注入開始圧力の適正な印加時間は、液体の量などにも関係するが、数百ミリ秒（ｍｓ）程度の短い時間間隔となる場合がある。その後、注入圧力に切り換えるが、その時の圧力変化も短時間で行わなければならない。注入開始圧力の印加時間が長すぎたり、圧力変化に時間を要してしまうと、注入完了後も過大な圧力が掛かり、容積部Ｂに注入された液体は細管近傍で留まることなく、容積部Ｂ内に飛散してしまい、同時に不要な気体が容積部Ｂ内に侵入してしまう。また、注入圧力も適正な圧力範囲内に維持されなければ、注入は適切に行われない。一般的に、マイクロチップ内のマイクロチャネル内の流体は微小な圧力で流され、移送される。よって、供給すべき圧力範囲も１０ＫＰａ以下と極めて低くなり、場合によっては数ＫＰａとなることもある。従って、こうした低い圧力を安定的に維持する必要性がある。また、マイクロチップにおいて、自由な流体制御を行うには、大気圧に対して正圧を供給するだけでなく、負圧となる圧力も有効に利用できる。以上説明してきたマイクロチップにおいて、流体制御のための圧力供給手段に求められる要件をまとめると次のようになる。
(1)圧力範囲は低圧が利用可能であること（例えば、１０ＫＰａ以下、場合により数ＫＰａ）；
(2)安定性・精度が良好であること（例えば、±１ＫＰａ以下）；
(3)２段階以上の圧力切換が可能であること；
(4)圧力切換の応答性が良好であること；
(5)正圧のみならず負圧も利用可能であること。

従来から使用されている２種類の圧力供給手段としては、図１０に示されるような、大容量の蓄圧タンクを有するコンプレッサ９０を安定した圧力供給源として利用し、複数のレギュレータ９１，９２により複数の圧力に調整する方法が一般的である。図１０には図示されていないが、コンプレッサ、各レギュレータ、バルブ、圧力センサなど必要な構成機器類の作動は、別途制御装置からの命令により実行される。また、各レギュレータはリリーフ機能も併せ持つことができる。コンプレッサから供給される気体は一般的に、空気である。

図１０において、コンプレッサ９０からの圧力（以下「元圧」と呼ぶ。）をレギュレータ９１，９２により所定の設定圧に減圧して圧力供給対象９６（例えば、マイクロチップ）へ供給する。元圧を２系統に分岐し、第１のレギュレータ９１と第２のレギュレータ９２を設けることにより、２種類の圧力とする。３方口電磁弁９３の切換により、供給圧力の切換を行う。第１の圧力センサ９４は第１のレギュレータ９１の２次側圧力を示し、第２の圧力センサ９５は第２のレギュレータ９２の２次側圧力を示しており、これらの圧力値をそれぞれ第１の圧力（高圧）、第２の圧力（低圧）とする。３方口電磁弁９３が“ＯＮ”状態のとき、第１の圧力（高圧）が供給され、３方口電磁弁９３が“ＯＦＦ”状態のとき、第２の圧力（低圧）が供給される。図１０では、圧力源はコンプレッサあるので、第１の圧力及び第２の圧力は共に正圧であるが、圧力源として真空ポンプを用いれば、第１の圧力及び第２の圧力は共に負圧となる。

図１０に示されるようなレギュレータによる２種類の圧力供給手段をマイクロチップへの圧力供給手段として用いた場合、次のような問題点が挙げられる。
(1)低圧に対応していない。
図１０に示されるようなレギュレータを用いた一般的な空圧機器では、１０ＫＰａ以下といった低圧に対応したものが殆ど存在しない。
(2)調圧精度が悪い
レギュレータそのものの精度も十分ではない。また、不要な圧力を逃がすリリーフの調整圧も誤差を含む。特に、高圧から低圧への切換直後、第２のレギュレータの二次側は第２のレギュレータの目標圧より高くなっている。そのため、不要な空気を放出しなければならないが、リリーフの調整圧力は目標圧より高めに調圧されている。通常では圧力供給対象側で、適度な空気の消費がなされ、目標圧に到達する。しかし、レギュレータなどのこうした市販の機器の内容積に比べて、マイクロチップに形成されたミクロンオーダーの微細なチャネル（流路）の容積は極めて小さいため、マイクロチップでの空気消費量は極僅かであり、目標圧に到達することは困難である。
(3)圧力切換の応答性が低い
レギュレータやリリーフの応答性が十分でないと同時に、前項と同じ理由で、特に高圧から低圧への切換時に、なかなか目標圧に到達しない。
(4)圧力源を複数持つことは不経済である
２つのレギュレータの代わりに、圧力源を２つ用意することも考えられるが、コンプレッサは高価であり不経済となる。ましてや、２つ以上の圧力源を備えることは一般的には常識外れである。

図１０に示されるような複数のレギュレータにより複数の圧力に調整する方法の別法として、図１１に示されるようなシリンジポンプ１００を用いる方法がある。この方法で使用されるシリンジポンプ１００は一般に市販されており、例えば、kdScientific社製Model230のような、送りネジ１０１で前後するステージ１０２に市販のシリンジ１０３を装着し、送りネジ１０１の回転によってプランジャ１０４の送り量を変化させ、シリンジ１０３内に充填された流体の吐出量及び吸引量をコントロールするものである。この方法は、元圧を変化させることにより、負圧を含めた任意の圧力を設定でき、微小な圧力コントロールが可能であるため、マイクロチップへの圧力供給に向いていると思われる。

しかし、このシリンジポンプ１００を用いる供給圧力制御方法は、次のような問題点を有する。
(1)瞬時の圧力切換は不可能である
プランジャの移動速度は遅く、瞬時に圧力を切り換えることができない。
(2)圧力精度が低い
シリンジポンプは元々シリンジ内の液体の送液に用いる機器であり、シリンジ内に気体を溜め、その圧力を一定に保つ用途には、シリンジ内容積が不十分であったり、シールが不十分であったりして、あまり精度の高い圧力供給源としては使用できない。

従って、本発明の目的はマイクロチップなどの圧力供給対象物における流体制御に適した圧力供給装置を提供することである。

前記課題を解決するための手段として、請求項１に係る発明の特徴は、圧力を用いて流体を圧力供給対象物の微細な流路内の所望の位置へ移動させたり、圧力を用いて圧力供給対象物の微細な流路内で極微量の流体を秤取するために使用される圧力供給装置であって、少なくとも２個以上の、それぞれ圧力の異なる圧力タンクと、これらの圧力タンクに接続され、これらの圧力の何れか又は大気圧とを切り替えるための少なくとも１個以上の圧力流路切換手段とからなり、前記圧力流路切換手段のうちの少なくとも１個の圧力流路切換手段の出口側は圧力供給対象物の圧力供給ポートに接続され、前記圧力流路切換手段のうちの１個は前記圧力供給対象物を大気に開放するための流路を有することである。

前記課題を解決するための手段として、請求項２に係る発明の特徴は、前記請求項１に記載の発明において、少なくとも２個以上の、それぞれ圧力の異なる圧力タンクと、これらの圧力タンクに接続され、これらの圧力を切り換えるための該圧力タンクの数と同じ数の３方口電磁弁とからなり、前記３方口電磁弁のうちの一つの３方口電磁弁の出口側は圧力供給対象物の圧力供給ポートに接続され、前記圧力供給対象物の圧力供給ポートに接続される３方口電磁弁は圧力供給対象物に圧力を供給する流路と、圧力供給対象物を大気に開放するための流路とを有することである。

前記課題を解決するための手段として、請求項３に係る発明の特徴は、前記請求項１に記載の発明において、少なくとも、第１の圧力を供給する第１の圧力タンクと、第１の圧力と異なる第２の圧力を供給する第２の圧力タンクと、該第１の圧力タンク及び第２の圧力タンクに接続され、これらの圧力を切り換えるための第１の３方口電磁弁と、該第１の３方口電磁弁の出口側に接続される第２の３方口電磁弁とからなり、前記第２の３方口電磁弁の出口側は圧力供給対象物の圧力供給ポートに接続され、前記第２の３方口電磁弁は圧力供給対象物に圧力を供給する流路と、圧力供給対象物を大気に開放するための流路とを有することである。

前記課題を解決するための手段として、請求項４に係る発明の特徴は、前記請求項１に記載の発明において、少なくとも２個以上の、それぞれ圧力の異なる圧力タンクと、これらの圧力タンクに接続され、これらの圧力を切り換えるための該圧力タンクの数と同じ数の２方口電磁弁と、圧力供給対象物を大気に開放するための流路となるべき別の２方口電磁弁とからなることである。

前記課題を解決するための手段として、請求項５に係る発明の特徴は、前記請求項１に記載の発明において、少なくとも２個以上の、それぞれ圧力の異なる圧力タンクと、これらの圧力タンクに接続され、これらの圧力を切り換えるための該圧力タンクの数と同じ数の２方口電磁弁と、前記２方口電磁弁の出口側に接続される３方口電磁弁とからなり、前記３方口電磁弁は圧力供給対象物に圧力を供給する流路と、圧力供給対象物を大気に開放するための流路とを有することである。

前記課題を解決するための手段として、請求項６に係る発明の特徴は、前記請求項１に記載の発明において、それぞれ圧力の異なる２個の圧力タンクと、これらの圧力タンクに接続され、これらの圧力を切り換えるための４方口電磁弁とからなり、前記４方口電磁弁は圧力供給対象物に圧力を供給する流路と、圧力供給対象物を大気に開放するための流路とを有することである。

前記課題を解決するための手段として、請求項７に係る発明の特徴は、前記請求項１乃至６に記載の発明において、前記圧力タンクは交換可能式又は使い捨て式のカートリッジタイプのタンクであることである。

前記課題を解決するための手段として、請求項８に係る発明の特徴は、前記請求項７に記載の発明において、前記カートリッジタイプの圧力タンクにおいて、内部に空気、二酸化炭素、窒素及びプロパンからなる群から選択される少なくとも１種類の媒体が所定の圧力にまで充填されていることである。

前記課題を解決するための手段として、請求項９に係る発明の特徴は、前記請求項８に記載の発明において、前記カートリッジタイプの圧力タンクにおいて、内部に空気が所定の圧力にまで充填されていることである。

前記課題を解決するための手段として、請求項１０に係る発明の特徴は、前記請求項８に記載の発明において、前記カートリッジタイプの圧力タンクにおいて、タンク内部が排気されて所定の圧力にまで減圧されていることである。

前記課題を解決するための手段として、請求項１１に係る発明の特徴は、前記請求項１乃至７に記載の発明において、前記圧力タンクはエアポンプによりその場で空気を充填して蓄圧するか又は真空ポンプにより空気を排気して減圧するタイプのタンクであることである。

前記課題を解決するための手段として、請求項１２に係る発明の特徴は、前記請求項１乃至１１に記載の発明において、前記圧力供給対象物は、一方の面に微細な流路が１本以上形成され、該基板又は対面基板に、前記流路のうちの少なくとも１本と連通する少なくとも１個以上の圧力供給用としても使用可能なポートを有するマイクロチップであることである。

少なくとも２個以上の、それぞれ圧力の異なる圧力タンクと、これらの圧力タンクに接続され、これらの圧力の何れか又は大気圧とを切り替えるための少なくとも１個以上の圧力流路切換手段とからなり、前記圧力流路切換手段のうちの少なくとも１個の圧力流路切換手段の出口側は圧力供給対象物の圧力供給ポートに接続され、前記圧力流路切換手段のうちの１個は前記圧力供給対象物を大気に開放するための流路を有する本発明の圧力供給装置によれば、圧力供給対象物に所望の圧力を適宜迅速に切り替えることができるばかりか、圧力供給対象物に不必要な圧力を印加しないために圧力供給対象物を迅速に大気に開放することもできる。これにより、例えば、マイクロチップにおける流体制御のための圧力供給手段に求められる要件｛すなわち、(1)圧力範囲は低圧が利用可能であること（例えば、１０ＫＰａ以下、場合により数ＫＰａ）；(2)安定性・精度が良好であること（例えば、±１ＫＰａ以下）；(3)２段階以上の圧力切換が可能であること；(4)圧力切換の応答性が良好であること；及び(5)正圧のみならず負圧も利用可能であること。｝を全て満たすことができる。

以下、図面を参照しながら本発明の圧力供給装置について具体的に説明する。図１（Ａ）は本発明の圧力供給装置の一例の概要ブロック図である。本発明の圧力供給装置１は、少なくとも、第１の圧力を供給するための第１の圧力タンク３と、第２の圧力を供給するための第２の圧力タンク５を有する。例えば、第１の圧力タンク３を高圧側とし、第２の圧力タンク５を低圧側とすることができる。言うまでもなく、この逆も使用できる。第１の圧力タンク３及び第２の圧力タンク５は空気が高圧充填された正圧タイプでもよいし、あるいは、タンクから空気を真空排気した負圧タイプでもよい。第１の圧力タンク３及び第２の圧力タンク５は別の箇所又は装置により空気が充填又は真空排気することにより予め作製された交換可能（又は使い捨て式）なエアーカートリッジであることもできるし、あるいは、これらの圧力タンク３及び５にエアポンプ（後記の図４参照）を接続して、これらのタンク内に空気を充填するか又は真空排気することによっても得ることができる。第１の圧力タンク３及び第２の圧力タンク５はそれぞれチューブ４及び６により第１の３方口電磁弁７に接続されている。３方口電磁弁は流路を切り換えるのに使用される一般的な機械要素であり、電磁弁方式のタイプとして直動型、パイロット型などがあり、構造的にはノーマルオープン（ＮＯ）形（常時開形）、ノーマルクローズ（ＮＣ）形（常時閉形）、ユニバーサル形などがあるのでこれを使用目的によって使い分けることができる。第１の３方口電磁弁７の出口はチューブ８により第２の３方口電磁弁９の入口に接続され、第２の３方口電磁弁の出口はチューブ１０によりマイクロチップ１１の圧力供給ポート１３に接続される。第２の３方口電磁弁９は圧力タンク３又は５からの供給圧力を遮断し、マイクロチップ１１を大気圧解放するために使用される。マイクロチップ１１を大気圧解放する理由は、圧力供給遮断後にマイクロチップ１１内に残っている高い圧力により流体が更に移動を続けたりすることを防止するためである。正圧タイプの圧力タンクの場合、タンク内に充填される気体として、空気の代わりに、二酸化炭素（ＣＯ_２）、窒素（Ｎ_２）、プロパン（ＣＨ_３ＣＨ_２ＣＨ_３）なども使用できる。コスト的には空気を使用することが最も好ましい。チューブ４，６，８，１０としては、ゴム又はナイロン或いはテフロン（登録商標）などの合成樹脂製の耐圧ホースを適宜選択して使用することができる

図１（Ｂ）は、チューブ１０を介してマイクロチップ１１の圧力供給ポート１３へ圧力を供給する手段の一例の部分概要断面図である。専用のフィッティング１４によりポート１３にチューブ１０を接続する。フィッティング１４により、ポート１３とチューブ１０との間は密閉性が保たれるので、チューブ１０を介して圧力タンク３又は５からの正圧又は負圧をマイクロチップ１０のチャネル１６内に印加することができる。図１（Ｂ）において、符号１８は、マイクロチップ１１を構成する一方の基板を示し、符号１９はマイクロチップ１１を構成する他方の基板（対面基板）を示す。言うまでもなく、図示されたフィッティング１４以外の当業者に公知慣用の接続手段も本発明の圧力供給装置からマイクロチップへ圧力を印加するために使用できる。

第１の３方口電磁弁７及び第２の３方口電磁弁９は、コントローラ１５に格納された動作プログラム（図示されていない）に従って、３方口電磁弁駆動回路１７からの信号に基づいて“ＯＮ”又は“ＯＦＦ”動作される。図２（Ａ）は、第１の３方口電磁弁７及び第２の３方口電磁弁９が何れも“ＯＮ”状態の場合に、第１の圧力タンク３の空気圧がマイクロチップ９に供給される態様を示す。図２（Ｂ）は、第１の３方口電磁弁７が“ＯＦＦ”状態で第２の３方口電磁弁９が“ＯＮ”状態の場合に、第２の圧力タンク５の空気圧がマイクロチップ９に供給される態様を示す。図２（Ｃ）は、第１の３方口電磁弁７が“ＯＦＦ”状態で第２の３方口電磁弁９も“ＯＦＦ”状態の場合に、マイクロチップ１１が大気圧解放されている状態を示す。

図３は、図１（Ａ）及び図２に示された圧力供給装置による、注入開始圧力と注入圧力の切換の実際の３方口電磁弁開閉動作に即した実際の圧力変化を示すプロファイル図である。図３において、図２（Ａ）に示されるように第１の３方口電磁弁７及び第２の３方口電磁弁９が何れも“ＯＮ”状態の場合に、第１の圧力タンク３の空気圧がマイクロチップ１１の圧力供給ポート１３に供給される。注入開始圧力までの立ち上がり時間は“ａ”で示される。立ち上がり後は第１の圧力タンク３の設定圧力が所定時間の間、圧力供給ポート１３に印加される。その後、図２（Ｂ）に示されるように、第１の３方口電磁弁７が“ＯＦＦ”状態に切換えられ、第２の３方口電磁弁９が“ＯＮ”状態に維持されると、第２の圧力タンク５の空気圧がマイクロチップ１１の圧力供給ポート１３に供給される。図３における“ｂ”は、注入開始圧力から注入圧力への切換え所要時間（立ち下がり時間）を示す。立ち下がり後は第２の圧力タンク５の設定圧力が所定時間の間、圧力供給ポート１３に印加される。その後、図２（Ｃ）に示されるように、第２の３方口電磁弁９を“ＯＦＦ”状態に切り換えると、圧力タンクからの空気圧供給は停止され、マイクロチップ１１は大気圧に解放される。予め圧力タンクに設定圧を蓄圧しておく本発明の圧力供給装置の場合、圧力切換時のリリーフ動作が不要（低圧側のタンク自体が不要な気体を吸収するため）であり、その分、圧力切換の応答性に優れていることが期待される。本発明の圧力供給装置では、“ａ”及び“ｂ”の期間が極僅かでなければならない。本発明の圧力供給装置では、この“ａ”及び“ｂ”は１００ｍｓ以下であり、十分な応答性を有する。

第１の圧力タンク３及び第２の圧力タンク５として、予め所定圧力まで空気が充填された交換可能なエアカートリッジを使用しても圧力変動は殆ど生じない。原理的には、気体の消費に伴って、圧力タンクの元圧は変化する。しかし、マイクロチップ９による気体の消費は極僅かであり、減圧の影響は軽微である。例えば、マイクロチップ９による空気の消費流量が１μＬ／分（比較的大きな流量値である。）とし、１０時間連続で消費したとすると、合計で６００μＬの気体容量が圧力タンクから供給されたことになる。仮に、圧力タンクの容量を１００ｍＬとすると、その時の元圧変化はおよそ０．６％である。例えば、１００ＫＰａ（比較的高い圧力値である。）に蓄圧されていた場合でも、約０．６ＫＰａしか変化を生じない。従って、例えば、圧力タンクの容量を２５０ｍＬとすれば、長時間に渡って運用しても安定した圧力供給が可能である。実際、本発明の圧力供給装置によれば、注入圧力の“ふらつき”は殆ど生じることが無く、安定状態で十分に使用できる。

図４は本発明の圧力供給装置の別の実施態様を示す概要ブロック図である。この実施態様は図１に示された実施態様と異なり、圧力タンク３，５に対して、エアポンプを用いて空気を充填し、蓄圧することからなる。エアポンプ２０の送出側に第３の３方口電磁弁２２を接続する。第３の３方口電磁弁２２が“ＯＮ”状態の時に、第１の圧力タンク３に空気が供給され、“ＯＦＦ”状態の時に、第２の圧力タンク５に空気が供給される。第３の３方口電磁弁２２と第２の圧力タンク５との間には第４の３方口電磁弁２４が配設されている。第３の３方口電磁弁２２を“ＯＦＦ”状態にすると、高圧空気が第２の圧力タンク５に流れ込む恐れがあるため、第３の３方口電磁弁２２が“ＯＮ”状態の時には、第４の３方口電磁弁２４を“ＯＦＦ”状態にしておき、切換時に高圧空気を大気に逃がしてから、第４の３方口電磁弁２４を“ＯＮ”状態にすることが好ましい。圧力タンク３及び５から空気が逆流することを防止するために、チェッキ弁（又は逆止弁）２６，２８を使用することが好ましい。また、圧力タンク３及び５内の蓄圧空気の圧力を検出するために、圧力センサ３０，３２をそれぞれ使用する。圧力センサ３０，３２の検出圧力が設定閾値未満になったら、制御回路（図示されていない）からエアポンプ２０及び第３の３方口電磁弁２２及び／又は第４の３方口電磁弁２４の各駆動信号を送り、蓄圧を再開することができる。また、圧力タンク３，５内の蓄圧空気を放出し、タンクを空にするために、各タンクに２方口電磁弁３４，３６をそれぞれ配設することが好ましい。この２方口電磁弁３４，３６から空気を放出する際、空気が徐々に放出されるように、絞り３８，４０をそれぞれ配設することが好ましい。エアポンプ２０の代わりに真空ポンプを使用し、圧力タンク３，５から空気を排気して減圧することにより、マイクロチップ１１に対して負圧を印加することもできる。

図１（Ａ）及び図４は２種類の圧力に対応する圧力供給装置であるが、場合により、図５に示されるような３種類の圧力プロファイルに対応可能な圧力供給装置が求められることもある。最初の圧力は液体を極僅かに送り出したりするときに使用される圧力である。図６はこのような３種類の圧力プロファイルに対応可能な圧力供給装置の一例の概要ブロック図である。第４の３方口電磁弁２４の出口側に第５の３方口電磁弁４２を設け、この第５の３方口電磁弁４２の一方の出口に第３の圧力タンク４４を接続する。第３の圧力タンク４４は、他のタンクと同様に、圧力センサ４６，チェッキ弁４８，２方口電磁弁５０及び絞り５２を備えている。この実施態様では、第２の圧力タンク５及び第３の圧力タンク４４が第６の３方口電磁弁５４の入口に接続され、第６の３方口電磁弁５４の出口は第１の３方口電磁弁７の入口に接続される。使用圧力が４種類以上になっても、図６と同様に、階段状に又はツリー状に各圧力用圧力タンクを連結していくことにより柔軟に対応することができる。

本発明の圧力供給装置は３方口電磁弁以外の電磁弁、例えば、２方口電磁弁又は４方口電磁弁を単独で又は他の電磁弁と適宜組み合わせることによっても構成することができる。例えば、図７（Ａ）は２方口電磁弁を３個使用して本発明の圧力供給装置を構成する実施態様の概要ブロック図である。第１の圧力タンク３に第１の２方口電磁弁７０をチューブ４を介して接続し、第２の圧力タンク５に第２の２方口電磁弁７１をチューブ６を介して接続する。これら２方口電磁弁７０及び７１の出口側はチューブ８−１及び８−２により三叉継手７３及び７４にそれぞれ接続されている。また、三叉継手７３はチューブ１０−１によりマイクロチップ１１の圧力供給ポート１３に接続されている。更に、三叉継手７３と７４とはチューブ１０−２により互いに接続され、そして、第３の２方口電磁弁７２を第２の三叉継手７４にチューブ８−３により接続する。第１の２方口電磁弁７０が“ＯＮ”状態で、第２の２方口電磁弁７１及び第３の２方口電磁弁７２が“ＯＦＦ”状態の時、第１の圧力タンク３の圧力がチューブ４，８−１及び１０−１を介してマイクロチップ１１の圧力供給ポート１３に供給される。同様に、第２の圧力タンク５の圧力を供給する場合は、第１の２方口電磁弁７０及び第３の２方口電磁弁７２が“ＯＦＦ”状態で、第２の２方口電磁弁７１が“ＯＮ”状態にされる。マイクロチップ１１を大気圧に解放する場合、第３の２方口電磁弁７２が“ＯＮ”状態で、第１の２方口電磁弁７０及び第２の２方口電磁弁７１が“ＯＦＦ”状態にされる。圧力タンクを増設する場合、圧力タンクと共に２方口電磁弁を増設し、チューブ８−３に接続するだけで容易に対応することができる。

図７（Ｂ）は２方口電磁弁２個と３方口電磁弁１個を組み合わせることによって構成される本発明の圧力供給装置の一例の概要ブロック図である。第１の圧力タンク３に第１の２方口電磁弁７０をチューブ４を介して接続し、第２の圧力タンク５に第２の２方口電磁弁７１をチューブ６を介して接続する。これら２方口電磁弁７０及び７１の出口側はチューブ８−１及び８−２により三叉継手７３にそれぞれ接続されている。この三叉継手７３はチューブ８−３を介して３方口電磁弁９に接続されている。３方口電磁弁９の出口側はチューブ１０を介してマイクロチップ１１の圧力供給ポート１３に接続されている。３方口電磁弁９を“ＯＮ”状態にして、第１の２方口電磁弁７０を“ＯＮ”、第２の２方口電磁弁７１を“ＯＦＦ”状態にすると、第１の圧力タンクの圧力が供給され、第１の２方口電磁弁７０を“ＯＦＦ”、第２の２方口電磁弁７１を“ＯＮ”状態にすると、第２の圧力タンクの圧力が供給され、第１の２方口電磁弁７０及び第２の２方口電磁弁７１を“ＯＦＦ”状態にし、かつ、３方口電磁弁９を“ＯＦＦ”状態にすることにより、マイクロチップ１１が大気圧解放される。圧力タンクを増設する場合、圧力タンクと共に２方口電磁弁を増設し、チューブ８−２に新たな三叉継手を用いて接続するだけで容易に対応することができる。

図７（Ｃ）は４方口電磁弁１個を用いて構成される本発明の圧力供給装置の一例の概要ブロック図である。４方口電磁弁７５の入口側の一端に、第１の圧力タンク３をチューブ４を介して接続し、他端に第２の圧力タンク５をチューブ６を介して接続する。４方口電磁弁７５の出口側の一端をチューブ１０を介してマイクロチップ１１の圧力供給ポート１３に接続し、他端は大気に開放しておく。４方口電磁弁７５を第１の“ＯＮ”状態にすると、入口側でチューブ４が接続され、チューブ６は閉塞され、出口側でチューブ１０が接続され、大気開放口は閉塞される。斯くして第１の圧力タンク３の圧力がマイクロチップ１１に供給される。また、４方口電磁弁７５を第２の“ＯＮ”状態にすると、入口側でチューブ４は閉塞され、チューブ６が接続され、出口側でチューブ１０が接続され、大気開放口は閉塞される。斯くして、第２の圧力タンク５の圧力がマイクロチップ１１に供給される。更に、４方口電磁弁７５を“ＯＦＦ”状態（中立状態）にすると、入口側でチューブ４及びチューブ６は閉塞され、出口側でチューブ１０が大気開放口と連通される。斯くして、マイクロチップ１１が大気圧解放される。４方口電磁弁を使用する場合、圧力タンクの増設はできない。

図１（Ａ）に示されるような圧力供給装置を作製した。第１の圧力タンク３及び第２の圧力タンク５には、それぞれ７ＫＰａ及び４ＫＰａの圧力の空気が充填された使い捨て式エアカートリッジを使用した。第１の３方口電磁弁７及び第２の３方口電磁弁９を“ＯＮ”状態にし、第１の圧力タンク３から７ＫＰａの圧力の空気をマイクロチップ１１の圧力供給ポート１３に供給した。注入開始圧力に達するまでの立ち上がり時間は約９０ｍｓであった。立ち上がり後、７ＫＰａの圧力の空気を１秒間送り続けた。その後、第１の３方口電磁弁７を“ＯＦＦ”状態に切換え、第２の３方口電磁弁９を“ＯＮ”状態に維持し、第２の圧力タンク５から４ＫＰａの圧力の空気をマイクロチップ１１の圧力供給ポート１３に供給した。この切換えに伴う立ち下がり時間は約１００ｍｓであった。立ち下がり後、４ＫＰａの圧力の空気を６０秒間送り続けた。この間の注入圧力の安定性は±０．２ＫＰａ以下と十分な値であり、脈流の発生も認められなかった。その後、第２の３方口電磁弁９を“ＯＦＦ”状態に切換え、マイクロチップ１１を大気圧に解放した。

本発明の圧力供給装置は、化学分析用のマイクロチップなどに限らず、(1)圧力範囲は低圧が利用可能であること（例えば、１０ＫＰａ以下、場合により数ＫＰａ）；(2)安定性・精度が良好であること（例えば、±１ＫＰａ以下）；(3)２段階以上の圧力切換が可能であること； (4)圧力切換の応答性が良好であること；(5)正圧のみならず負圧も利用可能であることなどの要求が存在する全ての分野で使用することができる。また、本発明の圧力供給装置は、マイクロチップにおいて、流体をチップ内の微細な流路内の所望の位置へ移動させるためばかりか、チップ内の微細な流路内で極微量の流体を秤取するためにも使用することができる。

本発明の圧力供給装置の一例の概要ブロック図である。 図１（Ａ）に示された圧力供給装置をマイクロチップの圧力供給ポートに接続する手段の一例を示す部分概要断面図である。 図１（Ａ）における圧力供給装置の３方口電磁弁の動作を説明する部分概要ブロック図である。 図１（Ａ）に示された圧力供給装置による供給圧力と時間との関係を示すプロファイル図である。 本発明の圧力供給装置の別の例の概要ブロック図である。 ３段階の圧力を伴う、供給圧力と時間との関係を示すプロファイル図である。 図５の圧力プロファイル図を実現するための本発明の圧力供給装置の一例の概要ブロック図である。 ２方口電磁弁を３個使用することによって構成される本発明の圧力供給装置の一例の概要ブロック図である。 ２方口電磁弁２個と３方口電磁弁１個を組み合わせることによって構成される本発明の圧力供給装置の一例の概要ブロック図である。 ４方口電磁弁１個を用いて構成される本発明の圧力供給装置の一例の概要ブロック図である。 特願２００３−１８０５６７号明細書に記載された液体注入構造による液体の注入状態を説明する部分概要ブロック図である。 図８に示された各注入状態の圧力プロファイル図である。 従来の圧力供給装置の一例の概要ブロック図である。 従来の圧力供給装置の別の例の概要ブロック図である。

符号の説明

１ 本発明の圧力供給装置
３ 第１の圧力タンク
４，６，８，１０ チューブ
５ 第２の圧力タンク
７ 第１の３方口電磁弁
９ 第２の３方口電磁弁
１１ マイクロチップ
１３ 圧力供給ポート
１４ フィッティング
１５ コントローラ
１６ チャネル
１７ ３方口電磁弁駆動回路
１８ 基板
１９ 対面基板
２０ エアポンプ
２２ 第３の３方口電磁弁
２４ 第４の３方口電磁弁
２６，２８ チェッキ弁
３０，３２，４６ 圧力センサ
３４，３６，５０ ２方口電磁弁
３８，４０，５２ 絞り
４２ 第５の３方口電磁弁
５４ 第６の３方口電磁弁

Claims (12)

1. 圧力を用いて流体を圧力供給対象物の微細な流路内の所望の位置へ移動させたり、圧力を用いて圧力供給対象物の微細な流路内で極微量の流体を秤取するために使用される圧力供給装置であって、
   少なくとも２個以上の、それぞれ圧力の異なる圧力タンクと、これらの圧力タンクに接続され、これらの圧力の何れか又は大気圧とを切り替えるための少なくとも１個以上の圧力流路切換手段とからなり、前記圧力流路切換手段のうちの少なくとも１個の圧力流路切換手段の出口側は圧力供給対象物の圧力供給ポートに接続され、前記圧力流路切換手段のうちの１個は前記圧力供給対象物を大気に開放するための流路を有することを特徴とする圧力供給装置。
2. 少なくとも２個以上の、それぞれ圧力の異なる圧力タンクと、これらの圧力タンクに接続され、これらの圧力を切り換えるための該圧力タンクの数と同じ数の３方口電磁弁とからなり、前記３方口電磁弁のうちの一つの３方口電磁弁の出口側は圧力供給対象物の圧力供給ポートに接続され、前記圧力供給対象物の圧力供給ポートに接続される３方口電磁弁は圧力供給対象物に圧力を供給する流路と、圧力供給対象物を大気に開放するための流路とを有することを特徴とする請求項１に記載の圧力供給装置。
3. 少なくとも、第１の圧力を供給する第１の圧力タンクと、第１の圧力と異なる第２の圧力を供給する第２の圧力タンクと、該第１の圧力タンク及び第２の圧力タンクに接続され、これらの圧力を切り換えるための第１の３方口電磁弁と、該第１の３方口電磁弁の出口側に接続される第２の３方口電磁弁とからなり、前記第２の３方口電磁弁の出口側は圧力供給対象物の圧力供給ポートに接続され、前記第２の３方口電磁弁は圧力供給対象物に圧力を供給する流路と、圧力供給対象物を大気に開放するための流路とを有することを特徴とする請求項２に記載の圧力供給装置。
4. 少なくとも２個以上の、それぞれ圧力の異なる圧力タンクと、これらの圧力タンクに接続され、これらの圧力を切り換えるための該圧力タンクの数と同じ数の２方口電磁弁と、圧力供給対象物を大気に開放するための流路となるべき別の２方口電磁弁とからなることを特徴とする請求項１に記載の圧力供給装置。
5. 少なくとも２個以上の、それぞれ圧力の異なる圧力タンクと、これらの圧力タンクに接続され、これらの圧力を切り換えるための該圧力タンクの数と同じ数の２方口電磁弁と、前記２方口電磁弁の出口側に接続される３方口電磁弁とからなり、前記３方口電磁弁は圧力供給対象物に圧力を供給する流路と、圧力供給対象物を大気に開放するための流路とを有することを特徴とする請求項１に記載の圧力供給装置。
6. それぞれ圧力の異なる２個の圧力タンクと、これらの圧力タンクに接続され、これらの圧力を切り換えるための４方口電磁弁とからなり、前記４方口電磁弁は圧力供給対象物に圧力を供給する流路と、圧力供給対象物を大気に開放するための流路とを有することを特徴とする請求項１に記載の圧力供給装置。
7. 前記圧力タンクは交換可能式又は使い捨て式のカートリッジタイプのタンクであることを特徴とする請求項１乃至６に記載の圧力供給装置。
8. 前記カートリッジタイプの圧力タンクにおいて、内部に空気、二酸化炭素、窒素及びプロパンからなる群から選択される少なくとも１種類の媒体が所定の圧力にまで充填されていることを特徴とする請求項７に記載の圧力供給装置。
9. 前記カートリッジタイプの圧力タンクにおいて、内部に空気が所定の圧力にまで充填されていることを特徴とする請求項８に記載の圧力供給装置。
10. 前記カートリッジタイプの圧力タンクにおいて、タンク内部が排気されて所定の圧力にまで減圧されていることを特徴とする請求項８に記載の圧力供給装置。
11. 前記圧力タンクはエアポンプによりその場で空気を充填して蓄圧するか又は真空ポンプにより空気を排気して減圧するタイプのタンクであることを特徴とする請求項１乃至７に記載の圧力供給装置。
12. 前記圧力供給対象物は、一方の面に微細な流路が１本以上形成され、該基板又は対面基板に、前記流路のうちの少なくとも１本と連通する少なくとも１個以上の圧力供給用としても使用可能なポートを有するマイクロチップであることを特徴とする請求項１乃至１１の何れかに記載の圧力供給装置。

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