JP4129415B2 - マイクロ化学チップ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、基体上に形成された微小な流路を流通する基質や試薬などの被処理流体に対して、反応や分析などの予め定める処理を施すことのできるマイクロ化学チップに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、化学技術やバイオ技術の分野では、試料に対する反応や試料の分析などを微小な領域で行うための研究が行われており、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム(Micro Electro Mechanical Systems;MEMS)技術を用いて化学反応や生化学反応、試料の分析などを行なうシステムを小型化したマイクロ化学システムが研究開発されている。
【0003】
マイクロ化学システムにおける反応や分析は、マイクロ流路、マイクロポンプおよびマイクロリアクタなどが形成されたマイクロ化学チップと呼ばれる1つのチップを用いて行われる。たとえば、シリコン、ガラスまたは樹脂から成る1つの基体に、試料や試薬などの流体を供給するための供給口と、処理後の流体を導出するための採取口とを形成し、この供給口と採取口とを断面積が微小なマイクロ流路で接続し、マイクロ流路の適当な位置に送液のためのマイクロポンプを配置したマイクロ化学チップが提案されている(特許文献1および特許文献2参照)。また、送液の手段として、マイクロポンプに代えて、電気浸透現象を利用したキャピラリ泳動型のものも提案されている(特許文献3参照)。これらのマイクロ化学チップでは、マイクロ流路は所定の位置で合流または分岐しており、合流部で流体の混合が行われ、または分岐部で流体の分離が行われる。
【0004】
マイクロ化学システムでは、従来のシステムに比べ、機器や各部の構成が微細化されているので、試料の単位体積あたりの反応表面積を増大させ、反応時間を大幅に削減することができる。また流量の精密な制御が可態であるので、反応や分析を効率的に行うことができる。さらに反応や分析に必要な試料や試薬の量を少なくすることができる。
【0005】
このような利点を有することから、マイクロ化学システムの医療分野への応用が期待されている。たとえば、血液検査にマイクロ化学チップを用いることによって、検体である血液の量を少なくすることができるので、患者への負担を軽減することができる。また検査に必要な試薬の量を少なくすることができるので、検査の費用を下げることができる。
【0006】
さらに医療分野では、マイクロ化学チップに半導体技術を組合せることが検討されている。たとえば、自宅や外出先の患者の血液を挨査し、その検査結果を医療機関に送信するためのデバイスとして、シリコンから成る1つの基体に、マイクロ流路、マイクロポンプおよびマイクロリアクタに加えて、血液を採取するための針、血液をろ過するためのろ過器および血液を分析するためのマイクロ分光器、マイクロプラズマ電源、集積回路、検出回路が搭載された「ヘルスケアデバイス」の概念が示されている(非特許文献1参照)。
【0007】
【特許文献1】
特開2002−214241号公報(第4−5頁,図1)
【0008】
【特許文献2】
特開2002−233792号公報(第5−6頁,図1,図3)
【0009】
【特許文献3】
特開2001−108619号公報(第5頁,図1,図2)
【0010】
【非特許文献1】
「日経マイクロデバイス(NIKKEI MICRODEVICES)2000年7月号」,日経BP社,2000年7月,p.88−97
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなマイクロ化学チップにおいては、供給部から供給された被処理流体は反応部で予め定められた処理が施されるが、例えばその処理には所定の反応を発生させるために精密かつ均一な加熱が必要な場合があるが、加熱ために設けたヒータからの熱が基体に広がり、ヒータの中心部よりも外周部が低温になることで、ヒータの中心部と外周部との間で温度差が生じ、反応部の温度を均一にコントロールができないため、反応を精密に制御することができなかった。
【0012】
従って、本発明は上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、ヒータの中心部と外周部との間の温度差を小さくして反応部の温度を均一にコントロールできるようにしたマイクロ化学チップを提供することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明のマイクロ化学チップは、基体の上面に、被処理流体をそれぞれ供給する複数の供給部と、該複数の供給部にそれぞれ接続されるとともに途中で合流された流路と、該流路の合流部よりも下流側の途中に設けられた反応部と、前記流路の下流の端部に設けられた採取部とが形成されているマイクロ化学チップであって、前記基体は、前記反応部の直下の内部にヒータが設置されているとともに、前記ヒータの直下の下面に前記ヒータよりも外形寸法が小さく前記ヒータの外形と相似形の放熱板が配置されていることを特徴とする。
【0014】
本発明のマイクロ化学チップは、基体は、反応部の直下の内部にヒータが設置されているとともに、ヒータの直下の下面にヒータよりも外形寸法が小さくヒータの外形と相似形の放熱板が配置されていることから、ヒータの中心部と外周部との温度差を小さくすることができ、その結果、反応部の温度を均一にかつ精密にコントロールできるものとなる。
【0015】
本発明のマイクロ化学チップは、好ましくは前記放熱板は、その平面視での面積が前記ヒータの平面視での面積の50〜90%であることを特徴とする。
【0016】
本発明のマイクロ化学チップは、好ましくは放熱板は、その平面視での面積が前記ヒータの平面視での面積の50〜90%であることから、ヒータの中心部と外周部との温度差をより小さくすることができ、その結果、反応部の温度をより均一にかつ精密にコントロールできるものとなる。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明のマイクロ化学チップについて以下に詳細に説明する。図1(a)は、本発明のマイクロ化学チップについて実施の形態の例を示し、マイクロ化学チップの基本構成の平面図であり、図1(b)は、図1(a)に示すマイクロ化学チップの切断面線I−I、II−IIおよびIII−IIIにおける断面構成を示す断面図である。なお、図1(b)では、切断面線I−I、II−IIおよびIII−IIIにおける断面構成を並べて示す。
【0018】
本発明のマイクロ化学チップは、セラミック材料等から成る基体11を有し、基体11の上面には、流路12と、2つの供給部13a,13bと、処理部(反応部)14と、採取部15とが設けられる。供給部13aは、供給流路17aと、供給流路17aの端部に設けられる供給口16aと、供給流路17aの上方に設けられるマイクロポンプ18aとを含む。同様に、供給部13bは、供給流路17bと、供給流路17bの端部に設けられる供給口16bと、供給流路17bの上方に設けられるマイクロポンプ18bとを含む。供給口16a,16bは、外部から供給流路17a,17bに被処理流体を注入することができるように開口されている。また採取部15は、流路12から被処理流体を外部に取り出すことができるように開口で実現されている。
【0019】
基体11の内部であって、反応部としての処理部14の流路12の下方には、ヒータ19が設けられる。処理部14の流路12は、ヒータ19の上方を複数回数通過するように、葛折状等に折り返して形成される。基体11の表面には、ヒータ19と外部電源とを接続するための図示しない配線がヒータ19から導出されている。この配線は、ヒータ19よりも抵抗値の低い金属材料で形成される。
【0020】
このマイクロ化学チップにおいては、2つの供給部13a,13bから流路12に被処理流体をそれぞれ流入させて合流させ、処理部14においてヒータ19を用いて流路12を所定の温度に加熱し、流入された2種類の被処理流体を反応させ、得られた反応生成物を採取部15から導出させる。
【0021】
本発明において、基体11のヒータ19の直下の下面にヒータ19よりも外形寸法が小さくヒータ19の外形と相似形の放熱板20が配置されている。この放熱板20は、処理部14の温度分布を均一化させるためのものである。放熱板20は、ヒータ19よりも外形寸法が小さくヒータ19の外形と相似形のものであることから、ヒータ19の中心部の放熱性が高まり、ヒータ19の中心部と外周部との温度差を効果的に小さくすることができる。その結果、処理部14の温度分布を精度良く均一化させることができる。
【0022】
また本発明において、放熱板20は、その平面視での面積がヒータ19の平面視での面積の50〜90%であることが好ましい。これにより、ヒータ19の中心部と外周部との温度差をより小さくすることができ、その結果、反応部の温度をより均一にかつ精密にコントロールできるものとなる。放熱板20の平面視での面積がヒータ19の平面視での面積の50%未満である場合、ヒータ19の中心部の放熱性が低下して、ヒータ19の中心部と外周部との温度差を小さくすることがむつかしくなる。放熱板20の平面視での面積がヒータ19の平面視での面積の90%を超えると、ヒータ19と同じ大きさの放熱板20を設けた場合と同様となり、ヒータ19の中心部と外周部との放熱性がほぼ同じになるため、熱が放散し易い外周部の温度が低下し易くなってヒータ19の中心部と外周部との温度差を小さくすることがむつかしくなる。
【0023】
また、放熱板20は、図2に示すように、大きさの異なる放熱板20a,20b,20cを組み合わせて構成されていてもよい。例えば、放熱板20a,20b,20cはそれぞれ厚さ1.5mmの銅板からなり、高熱伝導性のシリコーン樹脂(信越化学製「G750」等)で基体11に接合される。放熱板20は、ヒータ19の中央部の直下に相当する部分に設けられた放熱板20aと、その周囲に設けられた20b,20cとから形成されている。放熱板20a,20b,20cの面積は、放熱板20a,放熱板20b,放熱板20cの順で大きくなっており、これにより、ヒータ19の中心部の放熱性を外周部の放熱性よりも高めることができ、処理部14の温度を均一かつ精密にコントロールできるようになっている。
【0024】
すなわち、図2の場合、四角形状のヒータ19の中心部直下に位置する放熱性20a、ヒータ19の4辺部に位置する放熱板20b、ヒータ19の4隅部に位置する放熱板20cの順で大きくなっている。
【0025】
また、図2の場合、放熱板20a,20b,20cの合計の面積が、ヒータ19の面積の50〜90%であればよい。
【0026】
たとえば、供給部13aから原料となる化合物を含む流体を流入させ、供給部13bから試薬を含む流体を流入させ、処理部14の流路12をヒータ19で加熱すれば、化合物の合成を行うことができ、得られた化合物を採取部15から取り出すことができる。また、実施の形態の他の例として、採取部15または採取部15よりも披処理流体の流通方向上流側に検出部を設ければ、化学反応や抗原抗体反応、酵素反応などの生化学反応の反応物を検出することができる。
【0027】
なお、使用後のマイクロ化学チップは、供給部13a,13bから洗浄液を流入させて洗浄すれば、再度使用することができる。
【0028】
流路12および供給流路17a,17bの断面積は、供給部13a,13bから流入される検体、試薬または洗浄液などを効率よく送液し混合するために、2.5×10−3mm2以上1mm2以下であることが好ましい。流路12および供給流路17a,17bの断面積が1mm2を超えると、送液される検体、試薬または洗浄液の量が多くなり過ぎるので、単位体積あたりの反応表面積を増大させ、反応時間を大幅に削減させるというマイクロ化学チップの効果を充分に得ることができない。また、流路12および供給流路17a,17bの断面積が2.5×10−3mm2未満であると、マイクロポンプ18a,18bによる圧力の損失が大きくなり、送液に問題が生じる。
【0029】
また、流路12および供給流路17a,17bの幅wは、50〜10000μmであることが好ましく、より好ましくは100〜500μmがよい。また、流路12および供給流路17a,17bの深さdは、50〜1000μmであることが好ましく、より好ましくは100〜500μmであって、上記断面積の範囲となるようにすればよい。そして、幅と深さの関孫は、短辺長/長辺長≧0.4が好ましく、より好ましくは短辺長/長辺長≧0.6である。短辺長/長辺長<0.4では、圧力損失が大きくなり、送液に問題が生じる。
【0030】
マイクロ化学チップの外形寸法は、たとえば、幅Aが約40mmであり、奥行きBが約70mmであり、高さCが1〜2mmであるが、これにかかわらず、必要に応じて適切な外形寸法とすればよい。
【0031】
以上に述べたように、本実施の形態のマイクロ化学チップは、2つの供給部13a,13bを有するけれども、これに限定されることなく、3つ以上の供給部を有してもよい。
【0032】
供給部が2つ以上設けられる場合、供給部の供給流路は、1点で合流するように設けられる必要はなく、流路12の異なる位置に接続されるように設けられてもよい。またヒータ19は、1箇所に設けられる構成であるけれども、これに限定されることなく、2箇所以上に設けられてもよい。このように、3つ以上の供給部を設け、ヒータを2箇所以上に設けることによって、複雑な反応を制御することができる。
【0033】
また、本実施の形態では、送液手段として、マイクロポンプ18a,18bを設ける構成であるけれども、マイクロポンプ18a,18bを設けない構成も可能である。この場合には、供給口16a,16bから被処理流体を注入する際に、マイクロシリンジなどで被処理流体を押込むことによって、被処理流体を供給口16a,16bから採取口15まで送液することができる。また注入する際に、外部に設けられるポンプなどで被処理流体に圧力を加えながら注入することによって送液することもできる。また供給口16a,16bから被処理流体を注入した後に、採取口15からマイクロシリンジなどで吸引することによって送液することもできる。
【0034】
【発明の効果】
本発明のマイクロ化学チップは、基体は、反応部の直下の内部にヒータが設置されているとともに、ヒータの直下の下面にヒータよりも外形寸法が小さくヒータの外形と相似形の放熱板が配置されていることから、ヒータの中心部と外周部との温度差を小さくすることができ、その結果、反応部の温度を均一にかつ精密にコントロールできるものとなる。
【0035】
本発明のマイクロ化学チップは、好ましくは放熱板は、その平面視での面積が前記ヒータの平面視での面積の50〜90%であることから、ヒータの中心部と外周部との温度差をより小さくすることができ、その結果、反応部の温度をより均一にかつ精密にコントロールできるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は、本発明のマイクロ化学チップの実施の形態の一例の構成を簡略化して示す平面図であり、(b)は(a)に示すマイクロ化学チップの切断面線I−I、II−IIおよびIII−IIIにおける断面構成を示す断面図である。
【図2】本発明のマイクロ化学チップについて実施の形態の他の例を示し、放熱板の平面視形状を示す平面図である。
【符号の説明】
11・・・基体
12・・・流路
13a,13b・・・供給部
14・・・処理部
15・・・採取部
16a,16b・・・供給口
17a,17b・・・供給流路
18a,18b・・・マイクロポンプ
19・・・ヒータ
20,20a,20b,20c・・・放熱板
Claims (2)
- 基体の上面に、被処理流体をそれぞれ供給する複数の供給部と、該複数の供給部にそれぞれ接続されるとともに途中で合流された流路と、該流路の合流部よりも下流側の途中に設けられた反応部と、前記流路の下流の端部に設けられた採取部とが形成されているマイクロ化学チップであって、前記基体は、前記反応部の直下の内部にヒータが設置されているとともに、前記ヒータの直下の下面に前記ヒータよりも外形寸法が小さく前記ヒータの外形と相似形の放熱板が配置されていることを特徴とするマイクロ化学チップ。
- 前記放熱板は、その平面視での面積が前記ヒータの平面視での面積の50〜90%であることを特徴とする請求項1記載のマイクロ化学チップ。
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