JP4403000B2

JP4403000B2 - マイクロチップ及びマイクロポンプ

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Publication number: JP4403000B2
Application number: JP2004097638A
Authority: JP
Inventors: 挙秀間口; 憲一田山
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2024-03-30
Also published as: JP2005283331A

Description

本発明は遺伝子解析などの化学／生化学分析などに広く使用されるマイクロ流体制御機構付マイクロチップに関する。更に詳細には、本発明はマイクロチップの基板内に形成された微細流路（マイクロチャネル）や反応容器内における流体の移送を制御するための逆止弁として機能するマイクロバルブに関する。

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、基板内にマイクロチャネルや反応容器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ように構成されたマイクロデバイスが提案され、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、ポート及び反応容器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」又は「マイクロ流体デバイス」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などの化学、生化学、薬学、医学、獣医学分野のみならず、化学工業、環境計測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。

従来のマイクロチップ１００は、例えば、図１３Ａ及びＢに示されるように、第１の基板１０１に少なくとも１本のマイクロチャネル１０２が形成されており、このマイクロチャネル１０２の少なくとも一端には入出力ポート１０３，１０４が形成されており、基板１０１の下面側に対面基板１０５が接着されている。この対面基板１０５の存在により、ポート１０３，１０４及びマイクロチャネル１０２の底部が封止される。入出力ポート１０３，１０４の主な用途は、(a)試薬や検体サンプルの注入（分注）、(b)廃液や生成物の取り出し、(c)気体圧力の供給（主に、送液のための正圧や負圧の印加）、(d)大気開放（送液時に発生する内圧の分散や、反応で生じたガスの解放）及び(e)密閉（液体の蒸発防止や故意に内圧を発生させる目的のため）などである。

このようなマイクロチップには連続的な流体（例えば、液体又は気体）の流れや、微小液滴の移送を制御する目的で、マイクロチャネルの途中にマイクロバルブが配設されることがある。このようなマイクロバルブは例えば、特許文献１及び特許文献２に記載されている。

特許文献１の図１に記載されているマイクロバルブは、太い第１の導管と、この第１の導管より細径に形成されると共に、一方の端部が第１の導管と連通するように連接された複数本の細管と、この細管より大径に形成されると共に、細管の他方の端部と連通するように連接された第２の導管を有し、細管の内壁面は疎水性に形成されていることからなる。このマイクロバルブによれば、第１の導管内に液体を導入した際に、この液体を境界とした第１の導管側の圧力と第２の導管側の圧力との圧力差に応じて第１の導管内の液体に位置を任意に制御することができる。しかし、特許文献１のマイクロバルブでは、複数本の細管を形成するのが非常に困難であるばかりか、圧力差が大きすぎると細管が破損される危険性がある。また、この細管部分だけを特異的に疎水性にする処理も非常に困難である。更に、特許文献１のマイクロバルブの細管は、逆止弁としての機能は発揮できず、しかもポンプを使用しなければ圧力差を発生させることができない。

特許文献２の図３に記載されているマイクロバルブは、２つのポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）マイクロ流路チップと１枚のメンブレンからなり、バルブ領域において変位するメンブレンが弁座に離着して作動流体通路を開閉する弁機構を有する。更に、このマイクロバルブでは、バルブ領域において駆動流体の圧力が作用する圧力室を有する駆動流体通路が前記メンブレンに接着して形成されており、圧力室に駆動流体の圧力を給排することによってメンブレンを変位させて弁座と離着させて一方弁として開閉するように構成されている。しかし、特許文献２に記載されているマイクロバルブは、便座に離着するメンブランが圧力室に向かって片方向に変位するだけなので、バルブ開時のメンブランと弁座との隙間が不十分であり、流体の流動性が低く脈流が発生する原因となっていた。また、駆動流体の圧力はガラスパイプを介して真空ポンプから供給されるので、装置全体が複雑かつ高価となる。

特開２０００−２７８１３号公報特許第３４１８７２７号明細書

従って、本発明の目的は、真空ポンプなどの特殊な装置を必要とせずに駆動させることができ、簡単な構造のマイクロバルブを有するマイクロポンプ機構を備えたマイクロチップを提供することである。

前記課題を解決するための手段は第１に、少なくとも微細流路が形成されている第１の基板と該第１の基板の微細流路形成面に貼り合わされる対面基板とからなるマイクロチップにおいて、
前記対面基板の貼り合わせ面及び第１の基板の上面にポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）の薄膜が接着されており、前記第１の基板の上面のＰＤＭＳ薄膜上に第２の基板が更に接着されており、
前記微細流路内において、前記２枚の薄膜間に、逆止弁と、加圧部と、マイクロバルブが、流体の流れる方向に沿ってこの順に形成されており、
前記加圧部は前記微細流路よりも大きな容積を有する空間であり、
前記マイクロバルブは、前記微細流路の幅及び高さと同じ幅及び高さを有する弁座と該弁座の上面及び下面にそれぞれ離着する各ＰＤＭＳ薄膜からなり、
前記弁座の配設位置に対応する第２の基板及び対面基板の箇所が所定の大きさで切除されていることを特徴とするマイクロチップである。
前記課題を解決するための手段は第２に、前記逆止弁は前記微細流路に対して横方向に互いに擦れ違うように対向する２枚の流路幅よりも短い堰板から構成されていることを特徴とする前記第１のマイクロチップである。
前記課題を解決するための手段は第３に、前記逆止弁は前記微細流路に対して上下方向に互いに擦れ違うように対向する２枚の流路高さよりも短い堰板から構成されていることを特徴とする前記第１のマイクロチップである。
前記課題を解決するための手段は第４に、前記逆止弁は、弁室内に収納された複数個のビーズからなり、前記弁室は前記微細流路の上流側において該微細流路の流路幅よりも狭く、かつ、ビーズの外径よりも小さい１本以上の第１の接続流路により連通されており、また、前記弁室は前記微細流路の下流側において前記第１の接続流路よりも細い複数本の第２の接続流路により連通されていることを特徴とする前記第１のマイクロチップである。

本発明によれば、真空ポンプなどの特殊な装置を必要とせずに駆動させることができ、簡単な構造のマイクロバルブを有するマイクロポンプ機構を備えたマイクロチップが得られる。

以下、図面を参照しながら本発明のマイクロポンプの好ましい実施態様について具体的に例証する。図１は本発明のマイクロポンプの一例の概要平面図である。本発明のマイクロポンプは例えば、マイクロチップ１などに配設される。マイクロポンプは、基本的に、微細流路７と、該微細流路の途中に配設された２枚の対向片からなる逆止弁９と、加圧部１１と、バルブ部１３とからなる。微細流路７の一端には少なくとも１個の、液体試薬を注入するための大気に開放されたポート１５を有する。また、微細流路７の他端には、必要に応じて少なくとも１個の液体又は気体排出用のポート１７を有する。しかし、加圧部１１から発生された圧力を抜くことができれば、必ずしもポートという形態である必要はなく、他の形態のものでもよい。なお、図１に示されるようなマイクロチップ自体は特許文献１の図４に記載された方法により製造することができる。

図２は、図１におけるII-II線に沿った断面図である。本発明のマイクロバルブが配設されるマイクロチップ１は例えば、ガラス又はＰＤＭＳからなる対面基板１９を有する。対面基板１９の上面にはＰＤＭＳからなる薄膜２１が恒久接着されている。薄膜２１の上面には微細流路７などを構成するためのＰＤＭＳ層２３が恒久接着されている。更に、ＰＤＭＳ層２３の上面にはＰＤＭＳからなる薄膜２５が恒久接着されており、この薄膜２５の上面には最上層を形成するＰＤＭＳ層２７が恒久接着されている。本発明のマイクロチップ１において２枚のＰＤＭＳ薄膜２１と２５を使用するのはバルブ部１３を構成するためである。従って、微細流路７、逆止弁９，加圧部１１及びバルブ部１３は２枚のＰＤＭＳ薄膜２１と２５との間に形成されている。言うまでもなく、ポート１５及びポート１７（もし存在すれば）の部分の薄膜２５は除去されている。

薄膜２１及び／又は２５の膜厚は一般的に、５μｍ〜２００μｍの範囲内であることが好ましい。薄膜２１及び／又は２５の膜厚が５μｍ未満では膜の機械的強度が弱すぎて破れてしまう危険性がある。一方、薄膜２１及び／又は２５の膜厚が２００μｍ超では、膜の機械的強度が高くなりすぎ、膜が撓まなくなる可能性がある。

逆止弁９は例えば、互いに擦れ違うように対向する２枚の流路幅よりも短い堰板２９と３１により構成されている。堰板３１はポート１５の方向には動くことができないが、加圧部１１の方向には動くことが出来る。堰板３１を可動性にするため、堰板２９よりも薄いことが好ましい。

加圧部１１は、人の指又は細い棒あるいは機械的手段（例えば、ピエゾ素子などのような圧電素子等）などで押したときに大きな加圧力を発生できるようにするため、微細流路７よりも大きな容積になるように形成することが好ましい。

バルブ部１３では、２枚のＰＤＭＳ薄膜２１と２５との間に弁座３３が配設されている。薄膜２１及び２５は弁座３３の下面及び上面にそれぞれ離着することができる。ＰＤＭＳ層１９及び２７において、バルブ部１３に対応する位置の部分が切除され、空所３５及び３７が形成されている。

図３は本発明のマイクロバルブの駆動原理を説明する概念図である。ポート１５から液体を注入すると、逆止弁９の堰板３１がバルブ部１３方向に向かって変形することにより、注入液体は逆止弁９とバルブ部１３とにより形成される空間内に貯留される。ポート１５から圧力を加えて液体を注入しても、逆止弁９とバルブ部１３とにより画成される空間内に液体が充満されるまでバルブ部１３には変形圧力は加わらない。所定量の液体が逆止弁９とバルブ部１３とにより画成される空間内に注入された時点で、ポート１５からの注入を停止する。その後、加圧部１１の上面を指又は細い棒あるいは機械的手段で押し下げると、正圧が発生し、これにより、逆止弁９の堰板３１が他方の堰板２９に押し付けられ、一方、薄膜２１及び２５は弁座３３から離れるように空所３５及び３７に向かってそれぞれ膨張される。その結果、薄膜２１及び２５と弁座３３との間に隙間が生じ、この隙間を通して液体はポート１７方向に向かって押し出される。加圧部１１の押圧量が一定であれば、バルブ部１３を通して送出される液体量も大体一定になる。

図４は逆止弁９の別の実施態様を示す部分概要断面図である。図４の実施態様では、堰板２９ａ及び堰板３１ａが互いに上下に擦れ違うように対向するように配設されている。上流のポート１５から液体が注入されると、堰板３１ａは下流方向に撓み変形して液体を通すことができる。一方、加圧部１１が押圧されると、堰板３１ａは堰板２９ａに押し付けられ、液体が上流側に流れることは阻止される。堰板２９ａは圧力を受けても撓み変形することはない。

図５は逆止弁９の更に別の実施態様を示す部分概要平面図である。図５の逆止弁９では、弁室３９内に複数個のビーズ４１が収容されている。弁室３９と微細流路７とは、微細流路７の流路幅よりも狭く、かつ、ビーズ４１の外径よりも小さい１本以上の接続流路により連通されている。弁室３９と加圧部１１側との間の接続流路４３はビーズ４１により閉塞されないように複数本の細い管路で構成することが好ましい。一方、弁室３９とポート１５側との間の接続流路４５はビーズ４１により閉塞されやすいように、ビーズ４１の外径よりも極僅かに小さな幅を有する１本の管路で構成することが好ましい。弁室３９内にビーズ４１を充填する場合、図２に示されるＰＤＭＳ薄膜２５を恒久接着させる前に、所定の個数のビーズ４１を弁室３９に充填し、その後、ＰＤＭＳ薄膜２５をＰＤＭＳ層２３に恒久接着させることにより、ビーズ４１を弁室３９内に誘導可能に閉じ込めることができる。

図６は本発明のマイクロポンプの別の実施態様のマイクロチップ１Ａの部分概要断面図である。図６のマイクロポンプは２個の逆止弁を使用することによりポンプ吐出機能を実現している。第１の逆止弁４７は図４に示された逆止弁９と概ね同じものである。第２の逆止弁４９は構造的には第１の逆止弁４７と概ね同一である。第１の逆止弁４７では、堰板５１ａ及び堰板５３ａが互いに上下に擦れ違うように対向するように配設されている。堰板５１ａは圧力を受けても撓み変形しないが、堰板５３ａは圧力を受けると撓み変形し、堰板５１ａとの間に隙間を発生させる。第２の逆止弁４９では、堰板５１ｂ及び堰板５３ｂが互いに上下に擦れ違うように対向するように配設されている。堰板５１ｂは圧力を受けても撓み変形しないが、堰板５３ｂは圧力を受けると撓み変形し、堰板５１ｂとの間に隙間を発生させる。図６に示されたマイクロチップ１Ａでは、ガラス又はＰＤＭＳ基板１９の上面に、堰板５１ａ及び５１ｂが立設されているＰＤＭＳ層５５が恒久接着されている。また、このＰＤＭＳ層５５の上面には、微細流路７と、ポート１５及び１７と、堰板５３ａ及び５３ｂを有するＰＤＭＳ層５７が恒久接着されている。

図７は図６に示されたマイクロチップ１Ａにおけるマイクロポンプの駆動原理を説明する部分概要断面図である。図７（Ａ）において、ポートから液体を注入すると、逆止弁４７の堰板５３ａが加圧部１１方向に向かって変形することにより、注入液体は逆止弁４７と４９とにより画成される空間内に貯留される。次いで、図７（Ｂ）において、加圧部１１の上部外面を指又は細い棒あるいは機械的手段で押し下げると、正圧が発生し、これにより、逆止弁４７の堰板５３ａが他方の堰板５１ａに押し付けられて閉止されると共に、逆止弁４９の堰板５３ｂは圧力を受けて撓み変形し、堰板５１ｂとの間に隙間が発生し、液体はポート１７方向に向かって押し出される。

図８は本発明によるマイクロポンプの更に別の実施態様の部分概要断面図である。図８のマイクロポンプは、弁座となるガラス板５９の下部のＰＤＭＳ半型６１と上部のＰＤＭＳ半型６３とを重ね合わせることにより密閉されたポンプ室６５を画成する。上部のＰＤＭＳ半型６３には圧力により撓み変形することができるＰＤＭＳ弁片６７がスペーサ６９を介して配設されている。スペーサ６９はＰＤＭＳから形成されていることが好ましい。スペーサ６９の存在により、ＰＤＭＳ弁片６７はガラス板５９から離されている。送入管７１はＰＤＭＳ半型６１に設けられた送入穴に連結されており、同様に吐出管７３もＰＤＭＳ半型６１に設けられた吐出穴に連結されている。送入管７１から弁室６５内に液体を圧力注入するか又は吸込注入する。吐出管７３は細いので弁室６５内に貯留された液体はそのままではポンプ外には排出されない。

図９に示されるように、ＰＤＭＳ半型６３の上面を押圧すると、ＰＤＭＳ弁片６７は弁座のガラス板５９に密着され、ガラス板５９の入口孔７５は閉じられる。その結果、弁室６５内の液体はガラス板５９の出口孔７７から吐出管７３を介してポンプ外へ吐出される。

図１０は本発明によるマイクロポンプの更に他の実施態様の部分概要断面図である。図１０のマイクロポンプは、ガラス板５９の下部のＰＤＭＳ下側半型６１と上部のＰＤＭＳ上側半型６３とを重ね合わせることにより密閉されたポンプ室６５を画成する点では図８のマイクロポンプと同じである。図１０のマイクロポンプでは、圧力により撓み変形することができるＰＤＭＳ弁片６７ａと６７ｂがスペーサを介することなく、配設されている点で図８のマイクロポンプと異なる。ＰＤＭＳ弁片６７ａはＰＤＭＳ上側半型６３側に配設され、ＰＤＭＳ弁片６７ｂはＰＤＭＳ下側半型６１側に配設されている。ＰＤＭＳ弁片６７ａはガラス板の入口孔７５を密閉し、ＰＤＭＳ弁片６７ｂはガラス板の出口孔７７を密閉する。

図１１は図１０に示されるマイクロポンプの駆動状態を説明する概念図である。図１１（Ａ）に示されるように、送入管７１から液体を吸込空気室７９に圧力注入すると、ＰＤＭＳ弁片６７ａは撓み変形して、ガラス板の入口孔７５との間に隙間を発生し、この隙間から液体がポンプ室６５内に貯留される。次いで、図１１（Ｂ）に示されるように、ＰＤＭＳ上側半型６３の上面を押圧すると、ＰＤＭＳ弁片６７ａはガラス板５９に密着され、ガラス板５９の入口孔７５は閉じられ、同時に、ＰＤＭＳ弁片６７ｂはガラス板５９から離されて出口孔７７が開放するので、液体は吐出空気室８１に送り出され、次いで、吐出管７３を介してポンプ外へ吐出される。押圧力を解除すると、負圧が発生するので、図１１（Ａ）と同じ状態が生起するので、再びポンプ室６５内に液体が吸込注入される。これにより、マイクロポンプとして連続的に液体の吸込・吐出が繰り返される。

図１０のマイクロポンプでは、ＰＤＭＳ半型６３の上面を人為的に押圧しなければポンプとして駆動させることができない。図１２に示されるように、ＰＤＭＳ上側半型６３のポンプ室６５の上部に、ＰＤＭＳ製のダイヤフラム弁８３を配設し、このダイヤフラム弁８３を圧電素子８５で上下に振動させることによりポンプ室６５内に正圧と負圧を交互に発生させ、ポンプとしての吸込・吐出動作を自動的かつ連続的に行うことができる。

以上、本発明の好ましい実施態様について説明してきたが、本発明は図示された実施態様のみに限定されない。例えば、流路７に連通する入力ポート１５は１個だけでなく、２個以上存在することができ、また、マイクロバルブ１３の流体送出先は送出されてきた流体を必要とする部位であるば何でも良い。更に、出力ポート１７は必ずしも存在しなくてもよく、必要であれば、１個だけでなく２個以上存在することもできる。従って、本発明のマイクロポンプ機構は流体を送出する必要がある箇所ならばどこででも使用できる。
また、本発明のマイクロポンプ機構はマイクロチップだけでなく、様々な分野における微量流体制御機構で使用することもできる。

本発明のマイクロチップの一例の部分概要平面図である。図１におけるII-II線に沿った部分概要断面図である。図２に示されたマイクロチップの動作原理を説明する部分概要断面図である。図１のマイクロチップにおける逆止弁の別の例の部分概要断面図である。図１のマイクロチップにおける逆止弁の他の例の部分概要断面図である。本発明のマイクロチップの別の例の部分概要平面図である。図６に示されたマイクロチップの動作原理を説明する部分概要断面図である。本発明のマイクロポンプの一例の部分概要断面図である。図８のマイクロポンプの動作原理を説明する部分概要断面図である。本発明のマイクロポンプの別の例の部分概要断面図である。図１０のマイクロポンプの動作原理を説明する部分概要断面図である。本発明のマイクロポンプの他の例の部分概要断面図である。（Ａ）は従来のマイクロチップの一例の概要平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った概要断面図である。

符号の説明

１本発明のマイクロチップ
７微細流路
９逆止弁
１１加圧部
１３マイクロバルブ
１５入力ポート
１７出力ポート
１９対面基板
２１，２５ＰＤＭＳ薄膜
２３，２７ＰＤＭＳ基板
２９，２９ａ，３１，３１ａＰＤＭＳ堰板
３３弁座
３５，３７空所
３９弁室
４１ビーズ
４３，４５接続流路
４７，４９逆止弁
５１ａ，５１ｂ，５３ａ，５３ｂ堰板
５５，５７ＰＤＭＳ基板
５９ガラス板
６１ＰＤＭＳ下側半型
６３ＰＤＭＳ上側半型
６５ポンプ室
６７ＰＤＭＳ弁片
６９スペーサ
７１送入管
７３吐出管
７５入口孔
７７出口孔
７９吸込空気室
８１吐出空気室
８３ＰＤＭＳダイヤフラム弁
８５圧電素子

Claims

少なくとも微細流路が形成されている第１の基板と該第１の基板の微細流路形成面に貼り合わされる対面基板とからなるマイクロチップにおいて、
前記対面基板の貼り合わせ面及び第１の基板の上面にポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）の薄膜が接着されており、前記第１の基板の上面のＰＤＭＳ薄膜上に第２の基板が更に接着されており、
前記微細流路内において、前記２枚の薄膜間に、逆止弁と、加圧部と、マイクロバルブが、流体の流れる方向に沿ってこの順に形成されており、
前記加圧部は前記微細流路よりも大きな容積を有する空間であり、
前記マイクロバルブは、前記微細流路の幅及び高さと同じ幅及び高さを有する弁座と該弁座の上面及び下面にそれぞれ離着する各ＰＤＭＳ薄膜からなり、
前記弁座の配設位置に対応する第２の基板及び対面基板の箇所が所定の大きさで切除されていることを特徴とするマイクロチップ。
前記逆止弁は前記微細流路に対して横方向に互いに擦れ違うように対向する２枚の流路幅よりも短い堰板から構成されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロチップ。
前記逆止弁は前記微細流路に対して上下方向に互いに擦れ違うように対向する２枚の流路高さよりも短い堰板から構成されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロチップ。
前記逆止弁は、弁室内に収納された複数個のビーズからなり、前記弁室は前記微細流路の上流側において該微細流路の流路幅よりも狭く、かつ、ビーズの外径よりも小さい１本以上の第１の接続流路により連通されており、また、前記弁室は前記微細流路の下流側において前記第１の接続流路よりも細い複数本の第２の接続流路により連通されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロチップ。