JP4251353B2 - 微少流体制御方法および微少流体制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、微少流体制御方法および微少流体制御装置に関し、特にマイクロ流路またはナノ流路などの微細流路において、電場または磁場に反応する微少量の流体（駆動微少流体）を用いて、マイクロリットルオーダまたはナノリットルオーダの微少流体（サンプル微少流体）の流量制御および分量制御を行う微少流体制御方法および微少流体制御装置に関する。

従来の微少流体制御装置では、微少量制御バルブやマイクロポンプなどを用いて微少流体の流量制御を行っている。また、従来の微少流体制御方法として、毛細管内のキャピラリを用いて微少量の液体を移動させている。さらに、従来の微少流体制御方法として、微細流路内の微少量の液体中に気体を入れて微少流体を分断する方法がある。

最近、特許文献1明細書に示されるように、微少流体制御方法において、電気分極性を有する強磁性超微粒子と反磁性超微粒子とを分散したコロイド溶液を微小カプセル内に内包した微小バルブを用いる方法がある。

また、従来の微少流体制御装置において、バイオリアクタやケミカルリアクタに微少量の液体を流入させる場合、微少液体の流入量および流出量を正確に制御する必要がある。このような微少液体を流入または流出させる管路として、マイクロ流路またはナノ流路が用いられ、液体や気体の流入には微少量制御バルブやマイクロポンプなどを用いて行っている。そのためマイクロポンプの駆動時や停止時に、微少流体の流入量や流出量に誤差が生じるので、微少流体の流入量や流出量のより正確な制御が難しい。

特開２００１−１３２８６１号 公報

しかしながら特許文献１明細書に示される方法では、微少流体の制御のための制御機構が複雑であるため、微少流体の作製、制御が難しい。

また、上記のようなマイクロ流路またはナノ流路内での微少量の液体の制御において、従来の微少流体制御方法では微少流体の流量の誤差が大きくて制御しきれないため、微少流体の流量制御および分量制御をいかにするかが従来の微少流体制御方法における主たる課題であった。

本発明は、上記のような課題を解消するために、マイクロ流路またはナノ流路などの微細流路内への微少流体の吸入および微少流体の流量制御や分量制御ができる微少流体制御方法および微少流体制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、第一の微少流体を電場または磁場を変化させて微細流路で位置決めして移動させ、第二の微少流体を、第一の微少流体に後続して微細流路に吸入し、微細流路の第二の微少流体を、第一の微少流体の運動に関連して制御することを特徴とする微少流体制御方法にある。

また、本発明は、第一の微少流体を微細流路内で位置決めして移動させる第一の微少流体の移動手段、第二の微少流体を、微細流路内で第一の微少流体に後続して吸入する第二の微少流体の吸入手段、第二の微少流体を制御する制御手段を有することを特徴とする微少流体制御装置にある。

本発明は、マイクロ流路またはナノ流路などの微細流路内に、電場や磁場に反応する駆動微少流体を入れて、その移動によりサンプル微少流体を微細流路内に移動して位置決めをして制御する。

さらに、サンプル微少流体を分量制御するためにマイクロ流路またはナノ流路などの微細流路を形成する分岐管を設けて、その分岐管の中に入れた液体や気体を用いて、この電場および磁場に反応する駆動微少流体を運動させ、サンプル微少流体を分割し、より細かな流量制御および分量制御を行う。

また、マイクロ流路またはナノ流路などの微細流路の外周部に加熱部を設けて、電場や磁場に反応する駆動微少流体を用いて、その加熱部にサンプル微少流体を移動し、加熱してサンプル微少流体を分離して流量を制御する。

特に、密度の異なるサンプル微少流体の質量に応じた流量制御を行う場合には、電場や磁場に反応する駆動微少流体をマイクロ流路またはナノ流路などの微細流路に入れて回転体に取り付け、回転による遠心力と電場や磁力を組み合わせて利用し、駆動微少流体を運動させ、サンプル微少流体を流入、流出させ、混合、分離を行う。

さらにマイクロ流路またはナノ流路などの微細流路内部および微細流路周辺を疎液、撥水・撥油処理してサンプル微少流体の流量制御の精度を高める。

本発明は、マイクロ流路またはナノ流路などの微細流路内に、電場や磁場に反応する駆動微少流体を入れて、その移動によりサンプル微少液体やサンプル微少気体を微細流路内に移動して位置決めをしながら、Ｔ型流路や十字型流路などの分岐部からさらに第三の流体である不活性ガスなどを流入して、制御されるサンプル微少流体を分断して流量制御を行うことにより、マイクロ流路またはナノ流路などの微細流路内にサンプル微少流体の吸入および微細流路内でのサンプル微少流体の流量制御や分量制御ができる制御方法と装置の提供をすることができる。

以下、本発明の一実施例を図面とともに詳細に説明する。図１は、本発明に係る微少流体制御装置の一実施構成例を示す。微少流体が移動する流路であるマイクロ流路またはナノ流路の微細流路１内に、電場に反応する流体Ａ（駆動微少流体：第一微少流体プラグ流体）である電場流体Ａを注入する。この電磁流体Ａは、たとえば鉄粉を含む油（ケロシン油、軽油など）などのフェロイドフロイドである。微細流路１の外周部に磁石２を装着して、その出力により、電磁流体Ａを制御する。

図２は、本発明に係る微少流体制御装置の他の一実施構成例を示す。微少流体が移動する流路であるマイクロ流路またはナノ流路の微細流路１内に、磁場に反応する流体Ａ（駆動微少流体：第一微少流体プラグ流体）を注入する。この磁性流体Ａは、たとえば鉄粉を含む油（ケロシン油、軽油など）などのフェロイドフロイドである。微細流路１の外周部に複数の電磁石３を装着して、その出力により、磁性磁流体Ａを制御する。

図１または図２に示す本発明に係る微少流体制御装置においては、電場や磁場に反応する微少流体Ａの制御には、たとえば、微細流路１を固定して電場や磁場を発生する側、すなわち電場発生手段または磁場発生手段をコントロールする場合と、発生手段を固定して微細流路１を移動する二つの方法で制御する。

図２に示す微少流体制御装置は、複数の電磁石３を微細流路１に沿って配置し、通電を変えて電磁石３を働かせ、その電磁力により磁場に反応する微少流体Ａを制御する。

図３は、マイクロ流路またはナノ流路などの微細流路１の端部より、微少流体Ａ（駆動微少流体）とは異なる別の微少流体Ｂ（微少液体または微少気体）（サンプル微少流体：従動微少流体：第二微少流体プラグ流体）を微少流体Ａの下流から微少流体Ａとある間隔をおいて容器４から、微少流体Ａに後続して注入する。 この場合、電場に反応する微少流体Ａを移動させて、その移動量だけ微少流体Ｂを微細流路１内に流入させる方法を示したものである。微少流体Ｂはサンプル微少流体で、たとえば血液、試薬などである。

図４に示すように、微細流路１内の微少流体Ａ（駆動微少流体）を目的の位置まで移動するには、磁石２を移動しながら、その連動にともなって電場に反応する微少流体Ａ（駆動微少流体）を動かして別の微少流体Ｂ（微少液体または微少気体のサンプル微少流体）を移動する。また、そのサンプル微少流体Ｂを排出する場合には、電場に反応する微少流体Ａを移動して流出させる。

マイクロ流路またはナノ流路などの微細流路１の形状は、単路、さらに分岐管を有する場合は、図５に示すようなＴ型分岐管、図６に示すような十字型分岐管、またはその他の組み合わせにより微細流路１を形成することができる。その微細流路１の断面は、円形や矩形、さらに複雑な形状からなり、その代表長さはマイクロメートルやナノメートルのオーダである。

分岐管を用いたより細かな制御を施す場合には、図５に示すように、Ｔ型分岐管に形成される微細流路１内で、電場や磁場に反応する駆動微少流体Ａを磁石２で位置決めしながら移動して、分断するサンプル微少流体Ｂを移動して、液体または気体５（第三の流体：たとえば、不活性ガス、水、食塩水など）を分岐部から注入して、サンプル微少流体Ｂをたとえば二つのサンプル微少流体Ｂ１、Ｂ２のように分離する。

図６は、十字型分岐管の交差部に同様に分断するサンプル微少流体Ｂを移動して別の気体や液体６（第三の流体：たとえば、不活性ガス、水、食塩水など）を注入して、サンプル微少流体Ｂをたとえば二つサンプル微少流体Ｂ１、Ｂ２のように分断しながらサンプル微少流体Ｂの流量を制御する。

図７に示すように、マイクロ流路またはナノ流路などの微細流路１の外周部に電極などの加熱部７を設けて、電場や磁場に反応する駆動微少流体Ａを移動して、サンプル微少流体Ｂを注入する。

図８に示すように、サンプル微少流体Ｂを加熱部７に位置決めしながら移動させ、加熱部７に通電して熱を加えて、たとえばサンプル微少流体Ｂの一部を気化して、サンプル微少流体Ｂを二つのサンプル微少流体Ｂ１，Ｂ２のように分断する。図９に示すように、分離したサンプル微少流体Ｂ１，Ｂ２をさらに下流に移動させる。

図１０に示すように、回転体（リアクタ）８に、マイクロ流路またはナノ流路などの微細流路１を装着して、中心部からサンプル微少液体やサンプル微少気体を遠心力で微細流路１内に流入させる。

図１１に示すように、サンプル微少流体Ｂの量を駆動磁性流体Ａで制御して、リアクタ内に流入させる。また、流入したサンプル微少流体Ｂを分流制御する。すなわち、上記微細流路１に吸入した密度の異なるサンプル微少流体Ｂを質量に応じて混合、分離して制御する。

図１２は、本発明に係る微少流体制御装置の一実施形態を示す一部断面斜視図で、微細流路１の外周部に複数の電磁石３を並列に配置して駆動磁性流体Ａを用いてサンプル微少流体Ｂの流量制御を行う。

図１３は、本発明に係る微少流体制御装置の一実施形態を示す斜視図で、直線チャンネル状の微細流路９ａを設けたバイオチップ(ラボオンチップ)９の上部に複数の電磁石３を並列に配置して磁性流体Ａを用いてサンプル微少流体Ｂの流量制御を行う微少流体制御装置の斜視図である。

図１４は、本発明に係る微少流体制御装置において、サンプル微少流体Ｂの流量制御を行う微少流体制御装置に用いる特定形状のチャンネル（微細流路１０ａ）を有するバイオチップ（ラボオンチップ）１０である。微細流路１０ａを設けたバイオチップ１０を配置して、駆動磁性流体Ａを用いてサンプル微少流体Ｂの流量制御を行う。

マイクロ流路またはナノ流路などの微細流路の内部、またはその周辺を疎液処理、撥水処理、撥油処理を施してより高い精度で流量制御を行う。

本発明に係る微少流体制御装置に関連するデバイスとしては、マイクロマシン、マイクロエレクトロメカニカルシステム、極微量な液体試薬を反応させる小型分析装置（ＴＡＳ）、マイクロチップデバイス、ＤＮＡラボチップなどのラボオンチップ（Ｌａｂ−ｏｎ−ａ―ｃｈｉｐ）、バイオチップ、ヘルスケアチップなどがある。

本発明は、微少量の微少流体を扱う微少流体制御方法と装置に関する。集積回路のマイクロ加工技術を利用して製作した微細流路やセンサ、アクチュエータなどの微細な構造のデバイスに関する。ナノリットルオーダあるいはマイクロリットルオーダの微少量な流体試料を取り扱う化学分析や創薬の分野における微少流体の定量分注や異種流体の混合、分離を行うマイクロ領域での流体の制御に用いられる。

本発明に係る微少流体制御装置の一実施形態を示す基本概念断面図で、微細流路の外周部に配置した磁石によって電磁流体の流量制御を行う微少流体制御装置の断面図 本発明に係る微少流体制御装置の一実施形態を示す基本概念断面図で、微細流路の外周部に複数の電磁石を並列に配置して磁性流体の流量制御を行う微少流体制御装置の断面図 本発明に係る微少流体制御装置におけるサンプル微少液体の吸入形態を示す断面図 本発明に係る微少流体制御装置におけるサンプル微少液体の移動形態を示す断面図 分岐管を用いた液体分離手段または気体分離手段を備えた本発明の微少流体制御装置の一実施形態を示す基本概念断面図で、Ｔ型分岐管を用いた液体分離手段または気体分離手段を備えた微少流体制御装置を示す断面図 分岐管を用いた液体分離手段または気体分離手段を備えた本発明の微少流体制御装置の一実施形態を示す基本概念断面図で、十字型分岐管を用いた液体分離手段または気体分離手段を備えた微少流体制御装置の断面図 微細流路の外周部に加熱部を設けてサンプル微少液体を分離する本発明に係る微少流体制御装置の一実施形態を示す基本概念断面図で、加熱部にサンプル微少液体を移動する形態を示す微少流体制御装置の断面図 微細流路の外周部に加熱部を設けてサンプル微少液体を分離する本発明に係る微少流体制御装置の一実施形態を示す基本概念断面図で、加熱部でサンプル微少液体の一部を気化して分離する形態を示す微少流体制御装置の断面図 微細流路の外周部に加熱部を設けてサンプル微少液体を分離する本発明に係る微少流体制御装置の一実施形態を示す基本概念断面図で、分離したサンプル微少液体をさらに下流に移動する形態を示す微少流体制御装置の断面図 回転体に微細流路を設けて、遠心力と磁力を利用する本発明の微少流体制御装置の一実施形態を示す基本概念断面図 回転体に微細流路を設けて、遠心力と磁力を利用する本発明の微少流体制御装置における微少流体の移動を示す断面図 本発明に係る微少流体制御装置の一実施形態を示す基本概念断面図で、微細流路の外周部に複数の磁石を並列に配置して磁性流体の流量制御を行う微少流体制御装置の一部断面斜視図 本発明に係る微少流体制御装置の一実施形態を示す基本概念斜視図で、チャンネルを有するバイオチップの上部に複数の電磁石を配置して磁性流体の流量制御を行う微少流体制御装置の斜視図 本発明に係る微少流体制御装置において、磁性流体の流量制御を行う微少流体制御装置に用いる特定形状のチャンネルを有するバイオチップの上面図

符号の説明

１ 微細流路、 ２ 磁石、 ３ 電磁石、 ５ Ｔ型分岐管、 ６ 十字型分岐管、 ５ 流体、 ６ 流体、 ７ 加熱部、 ８ 回転体、 ９ バイオチップ、 １０ バイオチップ、 Ａ 駆動微少流体、 Ｂ サンプル微少流体

Claims (8)

1. 駆動微少プラグ流体を微細流路に吸入し、電場または磁場の一方のみを変化させて前記駆動微少プラグ流体を前記微細流路内で移動させて位置決めし、前記駆動微少プラグ流体とある間隔をおいて前記駆動微少プラグ流体に後続して従動微少プラグ流体を前記微細流路に吸入し、前記駆動微少プラグ流体の駆動により前記従動微少プラグ流体を前記微細流路内で従動させ、前記従動微少プラグ流体の前記微細流路内への吸入流量を制御し、吸入した前記第二の従動微少プラグ流体を前記微細流路内で移動させて位置決めし、吸入した前記従動微少プラグ流体の流量制御または分量制御を前記微細流路内で行なうことを特徴とする微少流体制御方法。
2. 請求項１において、前記従動微少プラグ流体を第三の流体で複数に分割することを特徴とする微少流体制御方法。
3. 請求項１において、前記従動微少プラグ流体を加熱して複数に分割することを特徴とする微少流体制御方法。
4. 請求項１において、前記駆動微少プラグ流体を遠心力を用いて移動させて位置決めし、前記従動微少プラグ流体を前記微細流路内で質量に応じて混合、分離することを特徴とする微少流体制御方法。
5. 微細流路、前記微細流路に吸入される駆動微少プラグ流体、電場または磁場の一方のみを変化させて前記駆動微少プラグ流体を前記微細流路内で移動させて位置決めする前記駆動微少プラグ流体の移動手段、前記駆動微少プラグ流体と間隔をおいて前記駆動微少プラグ流体に後続して前記微細流路に吸入される従動微少プラグ流体を備え、前記駆動微少プラグ流体の駆動により前記従動微少プラグ流体を前記微細流路内で従動させ、前記従動微少プラグ流体の前記微細流路内への吸入流量を制御し、吸入した前記従動微少プラグ流体を前記微細流路内で移動させて位置決めし、吸入した前記従動微少プラグ流体の流量制御または分量制御を前記微細流路内で行なうことを特徴とする微少流体制御装置。
6. 請求項５において、前記従動微少プラグ流体を第三の流体で複数に分割する分割手段を有することを特徴とする微少流体制御装置。
7. 請求項５において、前記従動微少プラグ流体を加熱して複数に分割する加熱分割手段を有することを特徴とする微少流体制御装置。
8. 請求項５において、前記駆動微少プラグ流体を前記微細流路内に遠心力を用いて移動させて位置決めする移動手段と、前記微少プラグ流体を前記微細流路内で質量に応じて混合、分離する混合分離手段を有することを特徴とする微少流体制御装置。

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