JP4221184B2 - マイクロ化学チップ - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基体に、流体が流通される１以上のチャネルを有するマイクロ化学チップに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、手のひらサイズ（数センチ角）のチップを使って化学実験をするマイクロ化学チップの研究開発が進められている。
【０００３】
このマイクロ化学チップは、ガラスや石英等で構成された基体の表面に微小なチャネルが形成されて構成され、前記チャネルに試料を供給して下流側に移動させることで、試料の成分分離、反応、精製、遺伝子解析などの生化学実験をチップ上で行えるようにしたものである。
【０００４】
このマイクロ化学チップでの測定原理としては、電気泳動、フローサイトメトリー等の手法が知られている。
【０００５】
このマイクロ化学チップを使用することで、従来の実験装置に比べ、極少量の試料で、短時間に結果を得ることができるという利点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のマイクロ化学チップにおいて、基体の表面に形成されたチャネル内に試料を移動させる場合、基体の外部に大型のポンプを設置し、該大型のポンプによる試料の押し込みあるいは試料の引き込みによって行うか、あるいはチャネルの入出口に配置した電極間に電圧を印加することによって試料溶媒に発生する電気浸透流等により行うようにしている。
【０００７】
大型のポンプを使用する場合は、マイクロ化学チップを含む分析装置が大型となり、コストの上昇を招く。また、大型のポンプでは、試料の移動速度をおおまかにしか調整できず、分析精度の劣化、高価な試料の使用効率の劣化につながる。
【０００８】
電気浸透流を用いる場合は、通常電極間に電圧に数百ボルト／ｃｍ程度の非常に高い電場をかけねばならず、装置の大型、高価格化を招くと共に、安全上取り扱いに注意が必要である。また、クーロン力を利用し、試料溶液全体が陰極に向かって流れるため、電気泳動検査等を行う場合、検査対象の試料（溶質）が負電荷をもつ物質（ＤＮＡや蛋白質）などの場合はよいが、正電荷をもつ物質や電荷をもたない物質（細胞など）の物質の場合は、検査対象の移動度の差をつけにくく、検査の分解能が劣化する問題がある。
【０００９】
さらに、試料溶液の移動速度は、一般的に数百〜数千平方ミクロンの断面積をもつチャネルの場合、数百〜数千ピコリットル／秒程度であり、検査の高速化には十分満足のいくものではない。
【００１０】
また、従来のマイクロ化学チップにおいて、外部からチャネル内に試料を供給するには、市販のマイクロピペットを用いて数ミリ〜数センチφ程度の開口部をもった注入口に分注させているが、一度の分注量は数百〜数千ナノリットル程度の少量化が限界であり、より微少化された注入法も期待されている。
【００１１】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、チップの小型化、試料に対する分析精度の向上、電荷によらない試料の分析を高精度に可能とし、検査時間を大幅に短縮することができ、チャネルのマルチ化が容易なマイクロ化学チップを提供することを目的とする。
【００１２】
また、本発明の他の目的は、上記に加えて、外部からより微量の試料を供給可能にし、試料の使用効率、分析精度の更なる向上並びに分析の高速化を実現することができるマイクロ化学チップを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るマイクロ化学チップは、板状の基体と、該基体に上面開口の凹状に形成され、且つ、板状部材にて上面が閉塞され、液体が流通される少なくとも１つの第１チャネルと少なくとも１つの第２チャネルとを有するマイクロ化学チップにおいて、前記基体の前記第１チャネルの始端に、上面開口の凹状に形成され、且つ、前記板状部材にて上面が閉塞され、前記液体が貯留される液体貯留部が前記第１チャネルに連通して形成され、前記基体の前記第１チャネルの終端に、上面開口の凹状に形成され、且つ、前記板状部材にて上面が閉塞された液体排出部が前記第１チャネルに連通して形成され、前記第１チャネルの下流側で、且つ、前記第１チャネルのうち、前記液体排出部の近傍に吸引タイプのポンプ部が前記基体に一体に形成され、前記ポンプ部は、前記第１チャネルと弁部を介さずに直接連通するポンプ用キャビティと、前記ポンプ用キャビティの容積を可変にするポンプ用アクチュエータ部とを有し、前記ポンプ用キャビティと前記第１チャネル間に、前記第１チャネルからの前記液体を導入するための導入孔と、前記ポンプ用キャビティからの前記液体を排出するための排出孔が形成され、前記導入孔は、その径が前記ポンプ用キャビティに向かって小さく設定され、前記排出孔は、その径が前記ポンプ用キャビティに向かって大きく設定され、前記第２チャネルを流通する試料を、前記第１チャネルに供給する試料供給部が設けられ、前記試料供給部は、ノズルと、前記第２チャネルとに連通する供給用キャビティと、前記供給用キャビティの容積を可変にする供給用アクチュエータ部とを有し、前記供給用アクチュエータ部の駆動によって、前記第２チャネルを流通する前記試料を前記供給用キャビティに導入する動作と、前記供給用キャビティに導入された前記試料を前記ノズルを介して前記第１チャネルに吐出する動作を行うことを特徴とする。
【００１４】
ポンプ部を前記基体に一体的に形成するようにしているため、該ポンプ部によって、流体のチャネルへの押し込みあるいは流体のチャネルからの引き込みを実現させることができ、基体の外部に大型のポンプを設置する必要がなくなる。その結果、チップの小型化を達成させることができる。
【００１５】
また、大型のポンプでは流体の移動量をおおまかにしか調整することができないが、基体に一体的に形成されたポンプ部であれば、調整可能な単位流量（分解能）がチャネルを流れる流体の量よりも少なくすることが可能となるため、流体の移動量を精度よく調整することができる。そして、流体の移動速度は、ポンプへの駆動信号により自由に可変にすることができ、数ピコリットル／秒〜数マイクロリットル／秒が実現できる。更に、流体の移動のために数百ボルト／ｃｍ程度の非常に高い電場をかける必要はなく、装置の大型化、高価格化を避けることができ、安全上の取り扱いも容易になる。
【００１６】
しかも、ポンプ部によって流体を移動させることができることから、電荷をもたない流体も移動させることができることは勿論のこと、電気泳動検査において、試料（溶質）の成分、電荷の状態によって検査精度が左右されるなどの不都合はない。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るマイクロ化学チップの実施の形態例を図１〜図２１を参照しながら説明する。
【００３６】
まず、第１の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ａは、図１に示すように、板状の基体１２と、該基体１２の表面に形成され、透明なガラス板にて上面が閉塞され、流体が流通される１つのチャネル１４を有する。チャネル１４の始端には、流体が貯留される流体貯留部１６がチャネル１４に連通して形成され、チャネル１４の終端には、流体排出部１８がチャネル１４に連通して形成されている。
【００３７】
流体としては、例えば検査対象の試料（溶質）が溶解または分散した溶液のみ、あるいは検査対象の試料溶液と搬送用流体との組合せが挙げられる。試料に加えて搬送用流体を用いることで、高価な試料を節約することができる。
【００３８】
なお、試料としては、例えば核酸類や蛋白質類、糖類、細胞、及びその複合体などを用いることができる。核酸類は、ＤＮＡ及びまたはその断片もしくは増幅されたもの、ｃＤＮＡ及びまたはその断片もしくは増幅されたもの、ＲＮＡまたはアンチセンスＲＮＡ及びまたはその断片もしくは増幅されたもの、化学合成されたＤＮＡもしくは増幅されたもの、または、化学合成されたＲＮＡもしくは増幅されたものなどが挙げられる。蛋白質類は、抗原、抗体、レクチン、アドヘシン、生理活性物質の受容体、またはペプチドなどが挙げられる。
【００３９】
チャネル１４には、例えばクロマトグラフィ等の化学分析に用いられる熱発生部、加熱部、冷却部、ｐＨ調整部、レーザー照射部、放射線照射部並びに検査部等が設置される。図１の例では、３種類の熱発生部２０ａ〜２０ｃを設置した場合を示す。
【００４０】
基体１２の構成材料は、例えばガラス、プラスチック、シリコン（石英）、セラミックス、ガラスセラミックスなどが挙げられる。これらの材料のうち、例えば電気泳動法を用いる場合を考慮して電気絶縁性を有し、化学的耐久性や透明性等を考慮すると、ガラス材料が好ましい。基体１２の表面へのチャネル１４の形成は、フォトリソグラフィ等によるエッチング法を用いることができる。
【００４１】
ガラス材料は、チャネル１４を形成することが容易な材料という観点のほか、弱酸や弱アルカリ等に対する耐性や、濡れ性、撥水性、表面張力、ガラス成分の溶出、ガラス表面の極性、表面基など、流体に影響を与える要因を考慮して選択することが好ましい。
【００４２】
ガラス材料としては、例えば白板（ＢＫ７）等のホウ珪酸系をはじめ、Ｌａ系、Ｚｒ系、Ｔｉ系等の多くのガラスを用いることができる。
【００４３】
そして、この第１の実施の形態においては、チャネル１４の上流側、図１では、チャネル１４のうち、流体貯留部１６の近傍に押出しタイプのポンプ部２２が基体１２に一体に形成されている。
【００４４】
ここで、押出しタイプのポンプ部２２の一例について説明する。このポンプ部２２としては、例えば第１及び第２のポンプ部２２Ａ及び２２Ｂを使用することができる。以下、第１及び第２のポンプ部２２Ａ及び２２Ｂについて説明する。
【００４５】
第１のポンプ部２２Ａの詳細は、特開２０００−３１４３８１号公報に記述されている通りであるが、ここで、簡単に説明すると、この第１のポンプ部２２Ａは、図２に示すように、流体が供給される例えばセラミック製のケーシング３０と、ケーシング３０内の一方の面に対向して設けられた１つの入力弁３２と、１つのポンプ３４と、１つの出力弁３６とを有する。これら入力弁３２、ポンプ３４及び出力弁３６は、それぞれアクチュエータ部３８を有する。
【００４６】
ケーシング３０は、複数枚のジルコニアセラミックスのグリーンシートを積層し、一体焼成して構成され、基体１２の表面に接して設けられた仕切り板４０と、該仕切り板４０に対向して設けられた第２の基体４２と、これら仕切り板４０と第２の基体４２との間に設けられた支持部材４４とを有する。
【００４７】
この第１のポンプ部２２Ａは、入力弁３２、ポンプ３４及び出力弁３６の選択的な接近・離反方向の変位動作を通じてケーシング３０の裏面に流路を選択的に形成することによって、流体の流れを制御する。
【００４８】
また、仕切り板４０には、流体を供給するための導入孔４６と、流体を排出するための排出孔４８が形成され、これら導入孔４６と排出孔４８との間に入力弁３２、ポンプ３４及び出力弁３６が横方向に配列されている。
【００４９】
第２の基体４２の内部には、入力弁３２、ポンプ３４及び出力弁３６に対応した位置にそれぞれ振動部を形成するための空所５０が設けられている。各空所５０は、第２の基体４２の端面に設けられた径の小さい貫通孔５２を通じて外部と連通されている。
【００５０】
第２の基体４２のうち、空所５０の形成された部分が薄肉とされ、それ以外の部分が厚肉とされている。薄肉の部分は、外部応力に対して振動を受けやすい構造となって振動部５４として機能し、空所５０以外の部分は、振動部５４を支持する固定部５６として機能する。
【００５１】
また、仕切り板４０と第２の基体４２との間には、アクチュエータ部３８の近傍において図示しない複数の支柱が介在され、剛性が維持されている。また、この例では、ケーシング３０の支持部材４４でも剛性が維持されている。
【００５２】
各アクチュエータ部３８は、振動部５４と固定部５６のほか、振動部５４上に形成された圧電／電歪層や反強誘電体層等の形状保持層６０と、該形状保持層６０の上下面に形成された上部電極６２及び下部電極６４とを有する作動部６６を具備する。
【００５３】
また、この第１のポンプ部２２Ａは変位伝達部６８を有する。この変位伝達部６８は、各アクチュエータ部３８上に形成され、かつ、各アクチュエータ部３８の変位をケーシング３０の裏面の方向に伝達する。
【００５４】
そして、この第１のポンプ部２２Ａの上流側にある流体を第１のポンプ部２２Ａの下流側に送る場合は、入力弁３２のアクチュエータ部３８を駆動して、変位伝達部６８のうち、入力弁３２に対応する端面を仕切り板４０から離間させ、その後、ポンプ３４のアクチュエータ部３８を駆動して、変位伝達部６８のうち、ポンプ３４に対応する端面を仕切り板４０から離間させることで、上流側の流体が入力弁３２を介してポンプ３４に向かって流れる。
【００５５】
その後、入力弁３２のアクチュエータ部３８を駆動して、変位伝達部６８のうち、入力弁３２に対応する端面を仕切り板４０に接触させ、次いで、出力弁３６のアクチュエータ部３８を駆動して、変位伝達部６８のうち、出力弁３６に対応する端面を仕切り板４０から離間させ、更に、ポンプ３４のアクチュエータ部３８を駆動して、変位伝達部６８のうち、ポンプ３４に対応する端面を仕切り板４０に接触させることで、流体が出力弁３６に向かって流れる。
【００５６】
その後、出力弁３６のアクチュエータ部３８を駆動して、変位伝達部６８のうち、出力弁３６に対応する端面を仕切り板４０に接触させることで、流体は排出孔４８を通じてチャネル１４の下流側に流れ込むことになる。
【００５７】
上述の動作を順次繰返すことで、第１のポンプ部２２Ａの上流側（この場合、流体貯留部１６）にあった流体が第１のポンプ部２２Ａの下流側、即ち、チャネル１４の下流側に向かって順次流れていくこととなる。
【００５８】
次に、第２のポンプ部２２Ｂは、図３に示すように、基体１２の表面に接して設けられた仕切り板７０と、該仕切り板７０に対向して設けられた振動板７２と、これら仕切り板７０と振動板７２との間に設けられた支持部材７４とを有する。これら仕切り板７０、振動板７２及び支持部材７４は、複数枚のジルコニアセラミックスのグリーンシートを積層し、一体焼成して構成することができる。
【００５９】
振動板７２の上面には作動部７６が形成されている。この作動部７６は、上述した第１のポンプ部２２Ａと同様に、圧電／電歪層や反強誘電体層等の形状保持層７８と、該形状保持層７８の上下面に形成された上部電極８０及び下部電極８２とを有する。前記振動板７２と作動部７６にてアクチュエータ部８４が構成される。
【００６０】
また、振動板７２の下部のうち、作動部７６に対応する部分には、流体が入り込むためのキャビティ８６が形成されている。つまり、このキャビティ８６は、仕切り板７０と、振動板７２と、支持部材７４にて区画され、仕切り板７０に設けられた導入孔８８及び排出孔９０と連通している。
【００６１】
一方、基体１２のチャネル１４内には、前記導入孔８８及び排出孔９０に対応した部分に、入力弁９２及び出力弁９４を有する。
【００６２】
入力弁９２は、アクチュエータ部９６と該アクチュエータ部９６上に設けられた円錐状の変位伝達部９８を有する。アクチュエータ部９６は、基体１２に形成された空所１００と、該空所１００の形成によって構成された振動部１０２及び固定部１０４、並びに振動部１０２上に形成された作動部１０６を有して構成されている。出力弁９４も同様に、アクチュエータ部１０８と該アクチュエータ部１０８上に設けられた円錐状の変位伝達部１１０を有する。
【００６３】
そして、入力弁９２におけるアクチュエータ部９６の上下方向の変位動作によって、入力弁９２における変位伝達部９８が導入孔８８を閉塞、開放することになり、出力弁９４におけるアクチュエータ部１０８の上下方向の変位動作によって、出力弁９４における変位伝達部１１０が排出孔９０を閉塞、開放することになる。
【００６４】
従って、この第２のポンプ部２２Ｂの上流側にある流体は、入力弁９２及び導入孔８８を介してキャビティ８６内に導かれ、アクチュエータ部８４の駆動によるキャビティ８６の容積変化によってキャビティ８６内の流体は、排出孔９０及び出力弁９４を介して下流側に流されることになる。
【００６５】
この第１の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ａにおいては、チャネル１４の上流側にポンプ部２２を基体１２に一体的に形成するようにしているため、従来のマイクロ化学チップと同じ大きさで、チャネル１４への流体の押し込み、移動を実現させることができた。また、流体の粘度は１０万センチポイズ程度の高粘度流体まで移動可能であり、移動速度は１０ピコリットル／秒から最大１０マイクロリットル／秒が実現できた。
【００６６】
次に、第２の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｂは、図４に示すように、上述した第１の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、チャネル１４の下流側、図４では、チャネル１４のうち、流体排出部１８の近傍に吸引タイプのポンプ部２２が基体１２に一体に形成されている点で異なる。
【００６７】
ポンプ部２２としては、上述した第１及び第２のポンプ部２２Ａ及び２２Ｂのほか、以下に示す第３及び第４のポンプ部２２Ｃ及び２２Ｄも使用することができる。
【００６８】
第３のポンプ部２２Ｃの詳細は、例えば特開２００１−１２４７８９号公報に記述されている通りであるが、ここで、簡単に説明すると、この第３のポンプ部２２Ｃは、図５に示すように、基体１２の表面に接して設けられた仕切り板１２０と、該仕切り板１２０に対向して設けられた振動板１２２と、これら仕切り板１２０と振動板１２２との間に設けられた支持部材１２４とを有する。これら仕切り板１２０、振動板１２２及び支持部材１２４は、複数枚のジルコニアセラミックスのグリーンシートを積層し、一体焼成して構成することができる。
【００６９】
振動板１２２の上面には作動部１２６が形成されている。この作動部１２６は、上述した第１のポンプ部２２Ａと同様に、圧電／電歪層や反強誘電体層等の形状保持層１２８と、該形状保持層１２８の上下面に形成された上部電極１３０及び下部電極１３２とを有する。前記振動板１２２と作動部１２６にてアクチュエータ部１３４が構成される。
【００７０】
また、振動板１２２の下部のうち、作動部１２６に対応する部分には、流体が入り込むためのキャビティ１３６が形成されている。つまり、このキャビティ１３６は、仕切り板１２０と、振動板１２２と、支持部材１２４にて区画され、仕切り板１２０に設けられた導入孔１３８及び排出孔１３９と連通している。
【００７１】
そして、この第３のポンプ部２２Ｃの上流側にある流体を第３のポンプ部２２Ｃの下流側に送る場合は、アクチュエータ部１３４を駆動して、キャビティ１３６の容量を減少することで、キャビティ１３６内の流体が下流側に押し流され、アクチュエータ部１３４を駆動して、キャビティ１３６の容量を拡大あるいは元に戻したとき、上流側の流体がキャビティ１３６内に導かれる。これらの動作が順次繰り返されることで、上流側の流体が順次下流側に流れることになる。
【００７２】
次に、第４のポンプ部２２Ｄは、図６に示すように、基体１２の表面に接して設けられた仕切り板１４０と、該仕切り板１４０に対向して設けられた上板１４２と、これら仕切り板１４０と上板１４２との間に設けられた側壁１４４とを有する。
【００７３】
側壁１４４は、圧電／電歪体や反強誘電体にて構成されている。また、側壁１４４には、図示しないが、電極膜が形成され、この電極膜に電圧を印加して、側壁に電界をかけることで、側壁１４４は、電界の強さに応じて上下方向に伸縮する。
【００７４】
また、仕切り板１４０と、側壁１４４と、上板１４２にて囲まれる部分は、流体が入り込むためのキャビティ１４６として形成され、仕切り板１４０に設けられた導入孔１４８及び排出孔１５０と連通している。
【００７５】
導入孔１４８は、その径がキャビティ１４６に向かって小さく設定され、チャネル１４側の開口径はキャビティ１４６側の開口径よりも大きく設定されている。同様に、排出孔１５０は、その径がキャビティ１４６に向かって大きく設定され、チャネル１４側の開口径はキャビティ１４６側の開口径よりも小さく設定されている。つまり、導入孔１４８は、上流側の流体が該導入孔１４８を通じてキャビティ１４６に入りやすく、キャビティ１４６内の流体が該導入孔１４８を通じて出にくい構造とされ、排出孔１５０は、キャビティ１４６内の流体が該排出孔１５０を通じて下流側に出やすく、下流側の流体が該排出孔１５０を通じてキャビティ１４６内に入りにくい構造とされている。
【００７６】
そして、この第４のポンプ部２２Ｄの上流側にある流体を第４のポンプ部２２Ｄの下流側に送る場合は、側壁１４４に例えば正の電界をかけて該側壁１４４を縮めることによって、キャビティ１４６の容量を減少させることで、キャビティ１４６内の流体が下流側に押し流され、側壁１４４に例えば負の電界をかけて該側壁１４４を伸ばすことによって、キャビティ１４６の容量を拡大あるいは元に戻すことで、上流側の流体がキャビティ１４６内に引き寄せられることになる。これらの動作が順次繰り返されることで、上流側の流体が順次下流側に流れることになる。
【００７７】
この第２の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｂにおいても、上述した第１の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ａと同様に、小型化が実現できると共に、ポンプ部２２が弁構造をもたないため、簡便で安価に構成することができ、耐久性がより向上したマイクロ化学チップ１０Ｂが実現できた。尚、この第２の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｂにおけるポンプ部２２は、弁構造をもたないため、流体を押し出すことはできず、実施の形態のごとく流体の下流側が大気であり、上流側が流体で満たされた状態で吸引ポンプとして稼動する。移動できる流体は粘度が１０００センチポイズ程度までの流体であり、移動速度は１ピコリットル／秒〜最大１０マイクロリットル／秒が実現できた。そして、第１及び第２の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ａ及び１０Ｂを用いて、実験、解析を行ったところ、流体に対する分析精度の向上、電荷をもたない流体の生化学分析を可能にすることができた。
【００７８】
次に、第３の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｃについて図７を参照しながら説明する。
【００７９】
この第３の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｃは、上述した第２の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｂとほぼ同様の構成を有するが、チャネル１４に試料を供給するための試料供給部１６０が設けられている点で異なる。
【００８０】
この試料供給部１６０は、チャネル１４の一部が上面に開口部を有し、その上に形成された供給部本体１６２と、基体１２の表面に形成された試料貯留部１６４と、該試料貯留部１６４から供給部本体１６２に試料を導くための試料用チャネル１６６とを有する。
【００８１】
供給部本体１６２は、図８に示すように、基体１２の表面に形成されたセラミック製のケーシング１７０を有し、該ケーシング１７０は、複数枚のジルコニアセラミックスのグリーンシートを積層し、一体焼成して構成され、内部に試料用チャネル１６６からの試料を一時貯留する第１及び第２のキャビティ１７２及び１７４と、第１及び第２のキャビティ１７２及び１７４間を連通する連通孔１７６と、チャネル１４の開口部に向けて形成された試料吐出孔１７８とを有する。
【００８２】
また、この供給部本体１６２は、ケーシング１７０を振動させたり、第２のキャビティ１７４の容積を変化させるアクチュエータ部１７７を有する。第２のキャビティ１７４は、試料吐出孔１７８や連通孔１７６が形成された下板１８０と第２のキャビティ１７４上に位置する上板１８４（振動板）と、下板１８０と上板１８４間に配された側板１８２にて区画されている。アクチュエータ部１７７は、上板１８４の表面に形成される。
【００８３】
上記のような構成の供給部本体１６２によれば、アクチュエータ部１７７の駆動によって、第２のキャビティ１７４の容積が減少すると、第２のキャビティ１７４内の試料が試料吐出孔１７８から所定速度で吐出され、チャネル１４に供給される。アクチュエータ部１７６を駆動して、第２のキャビティ１７４の容量を拡大あるいは元に戻したとき、第１のキャビティ１７２内の試料が連通孔１７６を介して第２のキャビティ１７４内に導かれ、更に、試料貯留部１６４の試料が試料用チャネル１６６を介して第１のキャビティ１７２内に導かれることになる。これらの動作が順次繰り返されることで、試料供給部１６０内の試料が順次チャネル１４に供給される。
【００８４】
尚、供給部本体１６２の大きさは、マイクロ化学チップの全体の大きさ、扱う試料の種類等で選択されるが、第２のキャビティ１７４の大きさが縦３ミリ、横０．３ミリ、厚さ０．３ミリであり、試料吐出孔１７８と連通孔１７６の径が０．０７ミリの場合、試料の粘度が２センチポイズ時に１回の駆動により、試料が１００ピコリットル供給される。
【００８５】
この第３の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｃにおいては、試料供給部１６０によって、チャネル１４への試料の供給タイミング及び供給量をピコリットル単位で任意に設定することができ、外部からより微量の試料を供給可能になり、試料の使用効率、分析精度の更なる向上並びに分析の高速化を実現することができるマイクロ化学チップ１０Ｃをコストを抑えて提供することができた。
【００８６】
尚、マイクロ化学チップ１０Ｃの場合は、ポンプ部２２は必ずしも必要ではなく、チャネル１４中の流体の移動は従来からの外部ポンプや電気浸透流を利用してもよい。
【００８７】
次に、第４の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｄについて図９を参照しながら説明する。
【００８８】
この第４の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｄは、図９に示すように、上述した第１の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、２つの流体貯留部（第１及び第２の流体貯留部１６Ａ及び１６Ｂ）を有する点と、各流体貯留部１６Ａ及び１６Ｂの近傍にそれぞれポンプ部２２が形成されている点で異なる。ポンプ部２２は、図２及び図３に示す第１及び第２のポンプ部２２Ａ及び２２Ｂを使用することができる。
【００８９】
つまり、この第４の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｄは、図９に示すように、第１の流体貯留部１６Ａの流体を下流側に送る第１のチャネル１４ａと、第２の流体貯留部１６Ｂの流体を下流側に送る第２のチャネル１４ｂと、第１及び第２のチャネル１４ａ及び１４ｂを通じて送られてくる２種類の流体が合流する合流チャネル１４とを有する。
【００９０】
そして、第１の流体貯留部１６Ａに、例えば検査対象の試料を供給した場合、第２の流体貯留部１６Ｂには、検査対象の別の試料を供給するようにしてもよい。この場合、２種類の試料を合流（反応等）させた結果の生化学分析等を容易に行うことができる。もちろん、第２の流体貯留部１６Ｂには搬送用流体を供給するようにしてもよい。その場合は、第１のチャネル１４ａに設置したポンプ部２２にて試料を合流地点まで移動させた後、第２のチャネル１４ｂに設置したポンプ部２２にて搬送用流体を供給し続けることにより、合流地点まで移動した試料のみを効率的に分離、反応、解析等に利用することができる。
【００９１】
また、図１０に示す変形例に係るマイクロ化学チップ１０Ｄａのように、基体１２の表面に例えば３つの流体貯留部１６Ａ〜１６Ｃを設け、更に、第１〜第３のチャネル１４ａ〜１４ｃ及び合流チャネル１４を設けることで、第１及び第２のチャネル１４ａ及び１４ｂにはそれぞれ異なる試料を供給し、第３のチャネル１４ｃに搬送用流体を供給するようにすれば、貴重又は高価な試料の節約を図りながらも、異なる試料の合流後の結果を容易に検査することができる。もちろん、４つ以上のチャネルと１つ以上の合流チャネルを設けるようにしてもよい。
【００９２】
次に、第５の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｅは、図１１に示すように、上述した第４の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｄとほぼ同様の構成を有するが、合流部分に振動発生部１９０を有する点で異なる。振動発生部１９０は、例えば図１２に示すように、チャネル１４の合流部分の上部に設けられ、振動板１９２と該振動板１９２上に形成された作動部１９４（形状保持層１９６、上部電極１９８及び下部電極１９９）にて構成することができる。上部電極１９８及び下部電極２００に対して交番電圧を印加することで、前記合流部分において容易に振動を発生させることができる。尚、振動板１９２は、作動部１９４を一体焼成して形成するために必要であるが、作動部１９４を例えばバルクの圧電体に電極を形成して作製するような場合は不要であり、作動部１９４を直接チャネル１４に貼りつけてもよい。また振動発生部１９０は、チャネル１４の上部に設置される以外に側面、底面等に設置してもよい。特に、基体１２がジルコニアセラミックスからなる場合は、前述したポンプ部２２と同時に振動発生部１９０も一体化して形成してもよい。
【００９３】
この第５の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｅにおいても、合流部分への振動付与により、合流部分での２種類の試料の合流、混合効率を高めることができ、反応、検査スピードを向上させることができた。
【００９４】
次に、第６の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｆについて図１３を参照しながら説明する。
【００９５】
この第６の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｆは、図１３に示すように、上述した第２の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｂとほぼ同様の構成を有するが、２つの流体貯留部（第１及び第２の流体貯留部１６Ａ及び１６Ｂ）を有する点と、各流体貯留部１６Ａ及び１６Ｂの近傍にそれぞれ逆止弁２１０が形成されている点で異なる。ポンプ部２２は、図２及び図３並びに図５及び図６に示す第１〜第４のポンプ部２２Ａ〜２２Ｄのいずれかを使用することができる。
【００９６】
この第６の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｆも、第１の流体貯留部１６Ａの流体を下流側に送る第１のチャネル１４ａと、第２の流体貯留部１６Ｂの流体を下流側に送る第２のチャネル１４ｂと、第１及び第２のチャネル１４ａ及び１４ｂを通じて送られてくる２種類の流体が合流する合流チャネル１４とを有する。
【００９７】
逆止弁２１０は、図１４に示す第１の逆止弁２１０Ａや図１５に示す第２の逆止弁２１０Ｂを使用することができる。この逆止弁２１０の説明にあたっては、少なくともチャネル１４ａ及び１４ｂを閉塞する蓋板２１２が基体１２上に被せられた構成を想定して説明する。
【００９８】
第１の逆止弁２１０Ａは、図１４に示すように、基体１２のチャネル１４ａ及び１４ｂ内に設けられた弁本体２１４を有する。
【００９９】
弁本体２１４は、上板２１６と、基体１２と上板２１６との間に設けられた側壁２１８と、上板２１６上に設けられた円錐状の変位伝達部２２０とを有する。また、蓋板２１２のうち、前記変位伝達部２２０に対応する部分には、円錐状の凹部２２２が形成されている。
【０１００】
側壁２１８は、圧電／電歪体や反強誘電体にて構成されている。また、側壁２１８には、図示しないが、電極膜が形成され、この電極膜に電圧を印加して、側壁２１８に電界をかけることで、側壁２１８は、電界の強さに応じて上下方向に伸縮する。
【０１０１】
そして、側壁２１８に例えば負の電界をかけて該側壁２１８を伸ばすことによって、変位伝達部２２０を凹部２２２の内面に接触させることで、流体の流れが止まり、側壁２１８に例えば正の電界をかけて該側壁２１８を縮めることによって、変位伝達部２２０を凹部２２２から離間させることで、流体はチャネル１４ａ（１４ｂ）内を流れることになる。
【０１０２】
一方、第２の逆止弁２１０Ｂは、図１５に示すように、基体１２のチャネル１４ａ及び１４ｂ内に設けられた弁本体２３０を有する。
【０１０３】
弁本体２３０は、アクチュエータ部２３２と該アクチュエータ部２３２上に設けられた円錐状の変位伝達部２３４を有する。アクチュエータ部２３２は、基体１２に形成された空所２３６と、該空所２３６の形成によって構成された振動部２３８及び固定部２４０、並びに振動部２３８上に形成された作動部２４２を有して構成されている。
【０１０４】
そして、弁本体２３０におけるアクチュエータ部２３２の上下方向の変位動作によって、変位伝達部２３４が凹部２２２に接触又は離間することになり、流体の流れが停止又は進行することになる。
【０１０５】
そして、図１３に示すように、第１の流体貯留部１６Ａに、例えば検査対象の試料と搬送用流体を供給し、第２の流体貯留部１６Ｂに、検査対象の別の試料と搬送用流体を供給するようにしてもよい。この場合、２種類の試料を合流（反応等）させた結果の生化学分析等を容易に行うことができる。各逆止弁２１０によって、試料の各チャネル１４ａ及び１４ｂへの供給量を任意に調整することができ、分析の精度向上、コストの低廉化に有利になる。
【０１０６】
また、第１の流体貯留部１６Ａに例えば検査対象の試料を供給し、第２の流体貯留部１６Ｂには搬送用流体を供給するようにしてもよい。この場合も、逆止弁２１０によって、試料及び搬送用流体の各チャネル１４ａ及び１４ｂへの供給量を任意に調整することができる。
【０１０７】
次に、第７の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｇについて図１６を参照しながら説明する。
【０１０８】
この第７の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｇは、図１６に示すように、上述した第２の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｂとほぼ同様の構成を有するが、チャネル１４の上流側及び下流側に電極２５０及び２５２が形成されている点で異なる。
【０１０９】
具体的には、チャネル１４のうち、流体貯留部１６の近傍に一方の電極２５０が形成され、ポンプ部２２の上流側近傍に他方の電極２５２が形成されている。そして、検査対象の試料が電荷をもつ溶質であって、例えば負電荷を有する場合は、一方の電極２５０を陽極（電位の高い電極）とし、他方の電極２５２を陰極とすることで、試料をポンプ部２２による移動方向とは逆方向に電気泳動させるようにする。
【０１１０】
このように、第７の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｇにおいても、電気泳動の方向をポンプ部２２による移動方向と逆にすることで、試料自体は流れと逆の方向（正極）に引き寄せられる力が働き、電気泳動分析の分離能力が向上した。
【０１１１】
また、流体自体が極性をもつ場合、電極間にかける電場の強さを調整することで、ポンプによる流体の移動に加え、電気浸透流による移動が発生し、より効果的、高速に流体の移動、解析の完了が実現された。
【０１１２】
更に、検査対象の試料（溶質）が正に荷電している場合は、ポンプ部２２による流体の移動方向の電極を正にすることにより、試料自体は流れと逆の方向（負極）に引き寄せられる力が働き、十分な分離能力が確保された。
【０１１３】
次に、第８の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｈについて図１７を参照しながら説明する。
【０１１４】
この第８の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｈは、図１７に示すように、上述した第２の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｂとほぼ同様の構成を有するが、チャネル１４と交叉する別のチャネル２６０が形成されている点と、該別のチャネル２６０の上流側及び下流側に電極２５０及び２５２が形成されている点で異なる。
【０１１５】
具体的には、前記別のチャネル２６０のうち、流体貯留部２６２の近傍に一方の電極２５０が形成され、流体排出部２６４の近傍に他方の電極２５２が形成されている。そして、検査対象の試料が電荷をもつ流体であって、例えば負電荷を有する場合は、一方の電極２５０を陰極（電位の低い電極）とし、他方の電極２５２を陽極とすることで、流体排出部２６４の方向に電気浸透流を発生させる。
【０１１６】
これにより、電荷をもつ、もたないに関わらない試料を一方のチャネル１４に供給し、電荷をもつ試料を他方のチャネル２６０に供給することで、これら試料を交叉部分で混合させ、更に、一方のチャネル１４を通じて、前記混合された流体をチャネル１４の下流側に流すことによって、前記混合された流体に対する生化学分析を行うことができる。
【０１１７】
もちろん、交叉部分に振動発生部１９０（図１１参照）を形成することで、交叉部分での２種類の試料の混合、反応効率を高めることができ、実験、検査スピードを向上させることができる。
【０１１８】
尚、この第８の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｈにおいては、上述した電気浸透流にて流体貯留部２６２から交叉部分に試料を供給した後、流体貯留部１６からチャネル１４を通ってポンプ部２２により交叉部分に供給される搬送流体により試料を分離移動させる場合は、ポンプ部２２が稼動している間は電極にかかる電圧を逆にすることで、交叉部分に供給された試料以外の試料がチャネル１４に流れ出ないようにすることができる。
【０１１９】
次に、第９の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｉについて図１８を参照しながら説明する。
【０１２０】
この第９の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｉは、図１８に示すように、上述した第６の実施の形態に係るマイクロ化学チップ１０Ｆとほぼ同様の構成を有するが、検査対象の試料が流れる第１のチャネル１４ａに弁部３００が形成されている点で異なる。つまり、搬送用流体が流れる第２のチャネル１４ｂには弁部３００を形成せずに、貴重又は高価な試料が供給される第１のチャネル１４ａのみに弁部３００が形成されている。
【０１２１】
この弁部３００としては、例えば図１９に示す第１の弁部３００Ａ、図２０に示す第２の弁部３００Ｂ又は図２１に示す第３の弁部３００Ｃを使用することができる。
【０１２２】
第１の弁部３００Ａは、図１９に示すように、例えばセラミック製の流路抵抗体３０２と、該流路抵抗体３０２内に埋め込まれたヒータ３０４とを有する。
【０１２３】
この第１の弁部３００Ａは、熱による流体の粘度変化による流路抵抗の変化を利用するものである。ヒータ３０４に通電して、第１のチャネル１４ａのうち、流路抵抗体３０２に対応する部分が加熱された状態となっている場合は、その熱によって流体の粘度は低下し、流体は第１のチャネル１４ａを流れる。一方、ヒータ３０４への通電を停止して、流路抵抗体３０２に対応する部分が冷却状態となると、流体の粘度が上がり、その結果、流路抵抗が上がって、流体の流れは止まることになる。つまり、ヒータ３０４への通電、通電停止によって流体の流れを制御することができ、弁部３００として機能することになる。
【０１２４】
第２の弁部３００Ｂは、図２０に示すように、第１のチャネル１４ａの一部に対して振動を付与する振動発生部３１０を有する。振動発生部３１０は、第１のチャネル１４ａ上に設けられた振動板３１２と該振動板３１２上に形成された作動部３１４（形状保持層３１６、上部電極３１８及び下部電極３２０）にて構成することができる。上部電極３１８及び下部電極３２０に対して交番電圧を印加することで、第１のチャネル１４ａにおいて容易に振動を発生させることができる。
【０１２５】
この第２の弁部３００Ｂは、振動による流路抵抗の変化を利用するものである。第１のチャネル１４ａの一部に対して振動を付与すると、流路抵抗が増すことから、流体の流れは止まる。
【０１２６】
第３の弁部３００Ｃは、図２１に示すように、少なくとも第１のチャネル１４ａを閉塞するように被せられた蓋板３３０に設けられたケーシング３３２を有する。ケーシング３３２内には、第１のチャネル１４ａと導入孔３３４及び排出孔３３６を通じて連通するキャビティ３３８が形成されている。
【０１２７】
ケーシング３３２上には、作動部３４０（形状保持層３４２、上部電極３４４及び下部電極３４６）が形成され、ケーシング３３２の上部（振動板３４８）と共にアクチュエータ部３５０として機能するようになっている。
【０１２８】
図６に示すポンプ部の場合とは逆に、導入孔３３４は、その径がキャビティ３３８に向かって大きく設定され、第１のチャネル１４ａ側の開口径はキャビティ３３８側の開口径よりも小さく設定されている。同様に、排出孔３３６は、その径がキャビティ３３８に向かって小さく設定され、第１のチャネル１４ａ側の開口径はキャビティ３３８側の開口径よりも大きく設定されている。つまり、導入孔３３４は、キャビティ３３８内の流体が該導入孔３３４を通じて上流側の流体に対して圧力を与えやすい構造とされ、排出孔３３６は、下流側の流体が該排出孔３３６を通じてキャビティ３３８内の流体に対して圧力を与えやすい構造とされている。
【０１２９】
そして、図１８に示すポンプ部２２によって第１のチャネル１４ａ内を試料が移動している際に、アクチュエータ部３５０の駆動によってキャビティ３３８の容積が減少したとき、キャビティ３３８内の流体には逆方向（ポンプ部２２による流体の流れ方向とは逆方向）の流れを起こす力が働き、結果として、この第３の弁部３００Ｃにおいて流体の流れを停止させることができる。
【０１３０】
上述の例では、２つのチャネルあるいは３つのチャネルを合流させた例や、２つのチャネルを交叉させた例を示したが、もちろん、４つ以上のチャネルを合流させた場合や、３つ以上のチャネルを交叉させた場合にも適用させることができる。
【０１３１】
なお、この発明に係るマイクロ化学チップは、上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、基体１２は、ポンプ部２２、試料供給部１６０と一体化する観点から、アクチュエータ材との反応性の低いジルコニアセラミックスで形成されてもよいし、チャネル１４を上面で閉塞する板材だけをガラスから構成した、ジルコニアセラミックスとの複合体からなってもよい。
【０１３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るマイクロ化学チップによれば、チップの小型化、試料に対する分析精度の向上、電荷をもたない試料の分析を可能とし、チャネルのマルチ化が容易になる。
【０１３３】
また、電気泳動を組み合わせることにより、分析精度の更なる向上並びに分析の高速化を実現させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係るマイクロ化学チップを示す斜視図である。
【図２】第１のポンプ部を示す断面図である。
【図３】第２のポンプ部を示す断面図である。
【図４】第２の実施の形態に係るマイクロ化学チップを示す斜視図である。
【図５】第３のポンプ部を示す断面図である。
【図６】第４のポンプ部を示す断面図である。
【図７】第３の実施の形態に係るマイクロ化学チップを示す斜視図である。
【図８】試料供給部の供給部本体の構成を示す断面図である。
【図９】第４の実施の形態に係るマイクロ化学チップを示す斜視図である。
【図１０】第４の実施の形態に係るマイクロ化学チップの変形例を示す斜視図である。
【図１１】第５の実施の形態に係るマイクロ化学チップを示す斜視図である。
【図１２】振動発生部の構成を示す断面図である。
【図１３】第６の実施の形態に係るマイクロ化学チップを示す斜視図である。
【図１４】第１の逆止弁を示す断面図である。
【図１５】第２の逆止弁を示す断面図である。
【図１６】第７の実施の形態に係るマイクロ化学チップを示す斜視図である。
【図１７】第８の実施の形態に係るマイクロ化学チップを示す斜視図である。
【図１８】第９の実施の形態に係るマイクロ化学チップを示す斜視図である。
【図１９】第１の弁部を示す断面図である。
【図２０】第２の弁部を示す断面図である。
【図２１】第３の弁部を示す断面図である。
【符号の説明】
１０Ａ〜１０Ｉ…マイクロ化学チップ １２…基体
１４…チャネル １４ａ…第１のチャネル
１４ｂ…第２のチャネル １６…流体貯留部
１６Ａ、１６Ｂ…第１、第２の流体貯留部 １８…流体排出部
２２…ポンプ部
２２Ａ〜２２Ｄ…第１〜第４のポンプ部 １６０…試料供給部
１６２…供給部本体 １９０…振動発生部
２１０…逆止弁
２１０Ａ、２１０Ｂ…第１、第２の逆止弁 ２５０、２５２…電極
２６０…別のチャネル ３００…弁部
３００Ａ〜３００Ｃ…第１〜第３の弁部

Claims (1)

  1. 板状の基体と、該基体に上面開口の凹状に形成され、且つ、板状部材にて上面が閉塞され、液体が流通される少なくとも１つの第１チャネルと少なくとも１つの第２チャネルとを有するマイクロ化学チップにおいて、
    前記基体の前記第１チャネルの始端に、上面開口の凹状に形成され、且つ、前記板状部材にて上面が閉塞され、前記液体が貯留される液体貯留部が前記第１チャネルに連通して形成され、前記基体の前記第１チャネルの終端に、上面開口の凹状に形成され、且つ、前記板状部材にて上面が閉塞された液体排出部が前記第１チャネルに連通して形成され、
    前記第１チャネルの下流側で、且つ、前記第１チャネルのうち、前記液体排出部の近傍に吸引タイプのポンプ部が前記基体に一体に形成され、
    前記ポンプ部は、前記第１チャネルと弁部を介さずに直接連通するポンプ用キャビティと、前記ポンプ用キャビティの容積を可変にするポンプ用アクチュエータ部とを有し、
    前記ポンプ用キャビティと前記第１チャネル間に、前記第１チャネルからの前記液体を導入するための導入孔と、前記ポンプ用キャビティからの前記液体を排出するための排出孔が形成され、
    前記導入孔は、その径が前記ポンプ用キャビティに向かって小さく設定され、前記排出孔は、その径が前記ポンプ用キャビティに向かって大きく設定され、
    前記第２チャネルを流通する試料を、前記第１チャネルに供給する試料供給部が設けられ、
    前記試料供給部は、ノズルと、前記第２チャネルとに連通する供給用キャビティと、前記供給用キャビティの容積を可変にする供給用アクチュエータ部とを有し、前記供給用アクチュエータ部の駆動によって、前記第２チャネルを流通する前記試料を前記供給用キャビティに導入する動作と、前記供給用キャビティに導入された前記試料を前記ノズルを介して前記第１チャネルに吐出する動作を行うことを特徴とするマイクロ化学チップ。
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