JP4695851B2 - マイクロ化学チップ温度調節装置 - Google Patents

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Description

この発明は、熱電素子を用いてマイクロ化学チップの局所的な温度調節を行うマイクロ化学チップ温度調節装置に関する。
熱電素子は、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換することができるデバイスであるとともに、電気エネルギーを熱エネルギーに直接変換することができるデバイスである。熱電素子は、複数の熱電対により構成されている。熱電対は、ほぼ同じ長さの柱状をしたｐ型熱電半導体およびｎ型熱電半導体を、それらの両端部で対にしたものである。
一般的な熱電素子では、複数の熱電対が、そのｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体とが交互に規則的に並ぶように、平面的に配置されている。そして、そのように並べられた複数の熱電対は、電気的に直列に接続されている。熱電素子は、その両端の間に温度差が与えられると、ゼーベック効果により電圧を発生する。また、熱電素子に直流電流を流すと、ペルチェ効果により、熱電素子の一端では熱の吸収が起こり、他端では放熱（発熱）が起こる。
このように、熱電素子は、可逆の効果を併せ持っており、熱エネルギーと電気エネルギーの変換素子として応用されている。特に、熱電素子に流す電流の量や向き（極性）を制御することによって、熱電素子の一端の面の温度を正確に制御することができる。そのため、熱電素子は、温度調節装置として用いられ得る。
一方、マイクロ化学チップには、ＤＮＡチップと呼ばれるＤＮＡ（ゲノム）解析用のチップ、タンパク質解析用のチップ、通常は実験室で行う様々な化学プロセスを数ｃｍ角の大きさのチップ上で行うマイクロＴＡＳ（Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）、ラボオンチップ（ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ）、またはマイクロリアクターなどと呼ばれるチップなどがある。本明細書では、チップ上またはチップ内部で何らかの化学プロセスを生じるものを全てマイクロ化学チップと呼ぶこととする。また、チップ上またはチップ内部において化学プロセスが生じる部分を化学反応部と呼ぶこととする。
化学反応部で生じる化学的変化には、例えば混合、反応、抽出、分離または濃縮などの様々な化学プロセスがある。そして、それぞれの化学プロセスに対して、例えば反応速度を高めたり、反応系を安定化または活性化させたり、反応効率を上げたりするためには、温度を最適な状態にする必要がある。
マイクロ化学チップに複数の化学反応部が設けられており、個々の化学反応部の温度を個別に最適な状態に保つ場合には、一化学反応部の温度が他の化学反応部に伝わらないようにする必要がある。そのためには、それぞれの化学反応部に対して局所的に温度調節を行うことが可能な構成とする必要がある。従来より、局所的な温度調節を行う構成を有するマイクロ化学チップが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
図１７は、上記特許文献１に開示されたマイクロ化学チップ温度調節装置の構成を模式的に示す図である。図１７に示すように、マイクロ化学チップ１０１の化学反応部１０２の下側に、熱電素子１０３が設けられている。この構成によれば、熱電素子１０３によって、化学反応部１０２を加熱したり、冷却したり、あるいは温度調節を行うことによって、化学反応部１０２での反応速度を速めることができる。
国際公開第００／４８７２４号パンフレット
しかしながら、上記特許文献１に開示された従来技術では、熱電素子１０３がヒートシンク等の熱交換可能な物体に接続されていない。そのため、熱電素子１０３をマイクロ化学チップ１０１に接続し、加熱や冷却によって化学反応部１０２の温度調節を行う場合、熱電素子１０３に熱が溜まりやすいという不具合がある。また、上記特許文献１には、マイクロ化学チップ１０１と熱電素子１０３との具体的な接続構造が開示されていないため、マイクロ化学チップ１０１と熱電素子１０３とを十分に熱伝導可能に接続することは困難である。従って、化学反応部１０２の温度調節を効率良く行うことができないという問題点がある。さらに、温度調節を行うための具体的な制御装置等の構成が開示されていないため、実際に加熱や冷却などによる温度調節を実施することができないという問題点がある。
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、マイクロ化学チップの化学反応部の温度を加熱や冷却によって局所的に調節することができるマイクロ化学チップ温度調節装置を提供することを目的とする。また、この発明は、マイクロ化学チップに複数の化学反応部がある場合に、各化学反応部の温度調節を個別に行うことができるマイクロ化学チップ温度調節装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、化学プロセスを微小な領域で行う化学反応部を内部に有するマイクロ化学チップと、前記化学反応部の近傍に配置されて同化学反応部の温度を測定する温度測定手段と、前記マイクロ化学チップの、前記化学反応部の近傍に位置する面に、低熱抵抗で接続するための熱伝導接続層を介して、一方の面が熱伝導可能に接続された熱電素子と、前記熱電素子の他方の面に熱伝導可能に接合されて固定された熱交換手段と、前記温度測定手段により測定された温度に基づいて前記熱電素子に流す電流を制御する温度制御手段と、前記マイクロ化学チップを加重して、前記熱伝導接続層に圧力を加える加重手段と、前記マイクロ化学チップを支持して、前記加重手段によって前記マイクロ化学チップに過度の加重がかかるのを防ぐ支持部材と、を備え、前記マイクロ化学チップには、搬送路によって連結され、前記マイクロ化学チップよりも小さい領域よりなる複数の化学反応部が設けられており、複数の前記化学反応部の間に、前記マイクロ化学チップと前記熱交換手段とを熱伝導可能に接続する熱伝導接続体を有し、前記温度測定手段と前記熱電素子は、化学反応部ごとに個別に設けられ、前記温度制御手段は、前記複数の化学反応部を個別に最適な温度に調節するように前記電流を制御することを特徴とする。
また、請求項２の発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、請求項１に記載の発明において、前記熱伝導接続層は、熱伝導性グリース、熱伝導性シート、半田または熱伝導性接着剤で構成されていることを特徴とする。
また、請求項３の発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、請求項１または２に記載の発明において、複数の前記化学反応部の間に、空気もしくは断熱性材料で満たされた断熱層、または真空に保たれた断熱層を有することを特徴とする。
また、請求項４の発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、請求項１〜３のいずれか一つに記載の発明において、前記マイクロ化学チップには凹部が設けられており、該凹部内に前記熱電素子の一部を入れた状態で前記マイクロ化学チップと前記熱電素子とが熱伝導可能に接続されていることを特徴とする。
また、請求項５の発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、請求項１〜３のいずれか一つに記載の発明において、前記マイクロ化学チップには、マイクロ化学チップの構成材料よりも熱伝導性に優れた材料でできた熱伝導部材が埋め込まれており、前記熱電素子は、前記熱伝導部材に熱伝導可能に接続されていることを特徴とする。
また、上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項６の発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、化学プロセスを微小な領域で行う化学反応部を内部に有するマイクロ化学チップと、前記化学反応部の近傍に配置されて同化学反応部の温度を測定する温度測定手段と、前記マイクロ化学チップの、前記化学反応部の近傍に位置する面に、低熱抵抗で接続するための熱伝導接続層を介して、熱伝導可能に接続された熱伝導体と、前記熱伝導体に一方の面が熱伝導可能に接続された熱電素子と、前記熱電素子の他方の面に熱伝導可能に接合されて固定された熱交換手段と、前記温度測定手段により測定された温度に基づいて前記熱電素子に流す電流を制御する温度制御手段と、前記マイクロ化学チップを加重して、前記熱伝導接続層に圧力を加える加重手段と、前記マイクロ化学チップを支持して、前記加重手段によって前記マイクロ化学チップに過度の加重がかかるのを防ぐ支持部材と、を備え、前記マイクロ化学チップには、搬送路によって連結され、前記マイクロ化学チップよりも小さい領域よりなる複数の化学反応部が設けられており、複数の前記化学反応部の間に、前記マイクロ化学チップと前記熱交換手段とを熱伝導可能に接続する熱伝導接続体を有し、前記温度測定手段と前記熱電素子は、化学反応部ごとに個別に設けられ、前記温度制御手段は、前記複数の化学反応部を個別に最適な温度に調節するように前記電流を制御することを特徴とする。
また、請求項７の発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、請求項６に記載の発明において、前記熱伝導接続層は、熱伝導性グリース、熱伝導性シート、半田または熱伝導性接着剤で構成されていることを特徴とする。
また、請求項８の発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、請求項６または７に記載の発明において、前記熱伝導体の、前記マイクロ化学チップに接続する側の面が、該面に平行な前記熱電素子の断面よりも大きいことを特徴とする。
また、請求項９の発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、請求項６または７に記載の発明において、前記熱伝導体の、前記マイクロ化学チップに接続する側の面が、該面に平行な前記熱電素子の断面よりも小さいことを特徴とする。
また、請求項１０の発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、請求項６〜９のいずれか一つに記載の発明において、前記温度測定手段は、前記熱伝導体の内部に設けられていることを特徴とする。
また、請求項１１の発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、請求項１０に記載の発明において、複数の前記化学反応部の間に、空気もしくは断熱性材料で満たされた断熱層、または真空に保たれた断熱層を有することを特徴とする。
また、請求項１２の発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、請求項６〜１１のいずれか一つに記載の発明において、前記マイクロ化学チップには凹部が設けられており、該凹部内に前記熱伝導体の一部を入れた状態で前記マイクロ化学チップと前記熱伝導体とが熱伝導可能に接続されていることを特徴とする。
本発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置によれば、マイクロ化学チップの化学反応部の温度を加熱や冷却によって局所的に調節することができるという効果を奏する。また、マイクロ化学チップに複数の化学反応部がある場合に、各化学反応部の温度調節を個別に行うことができるという効果を奏する。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の各実施の形態の説明において、他の実施の形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置の構成を模式的に示す正面図である。図１に示すように、実施の形態１のマイクロ化学チップ温度調節装置は、マイクロ化学チップ１０１、熱電素子１０３、熱伝導体１０４、熱交換手段１０５、弾性体１０８、可動部材１０９、支柱１１０および支持部材１１１を備えている。
マイクロ化学チップ１０１は、例えばガラス、樹脂、シリコン、セラミックス、半導体または金属などの材料で構成されており、１以上の化学反応部１０２を有している。化学反応部１０２は、例えば機械加工、化学的エッチング、リソグラフィなどの微細加工法によって、マイクロ化学チップ１０１の内部または上部に作り込まれている。
マイクロ化学チップ１０１には、外部から薬液などが導入される。そして、化学反応部１０２において、貯蔵、搬送、混合、反応、抽出、分離、濃縮、回収などの各種化学プロセスが行われる。各種化学プロセスにおいては、例えば安定に貯蔵したり、迅速に混合したり、活性化したり、反応速度を高めたり、反応効率を高めたり、反応を止めて安定化させるための最適な温度条件がある。
熱伝導体１０４は、銅やアルミニウム、窒化アルミニウムなどの熱伝導率の高い材料、またはヒートパイプや熱伝導率に異方性がある材料などの優れた熱伝導性能を有する材料で構成されている。熱伝導体１０４の一方の面は、マイクロ化学チップ１０１の、化学反応部１０２の近傍にある面、図示例では化学反応部１０２の直下の面に熱伝導接続層１０７を介して熱伝導可能に接続されている。
ここで、熱伝導接続層１０７は、銅やアルミニウムなどの金属、あるいは窒化アルミニウムやアルミナやボロンナイトライドなどのセラミックスの微粒子（フィラー）などをシリコングリースなどに混ぜて熱伝導性を高めた熱伝導性グリースにより構成されている。あるいは、熱伝導接続層１０７は、上記微粒子（フィラー）を混ぜた厚さ方向に弾性を有するシリコン樹脂などの熱伝導性シートにより構成されていてもよい。
熱伝導体１０４の他方の面は、熱電素子１０３の一方の面に半田や熱伝導性接着剤などの接合層１０６を介して熱伝導可能に接合されて固定されている。熱交換手段１０５は、熱電素子１０３の他方の面に半田や熱伝導性接着剤などの接合層１０６を介して熱伝導可能に接合されて固定されている。
ここで、熱伝導可能とは、熱伝導性グリースや熱伝導性シートによる接続、または半田や熱伝導性接着剤による接合において、接続または接合により固定される面と面との熱抵抗が極めて小さいことを意味する。具体的には、熱抵抗率が１×１０-4ｍ2℃／Ｗ以下であるのが望ましい。接合層１０６や熱伝導接続層１０７を設けることは、熱電素子１０３と熱伝導体１０４と熱交換手段１０５とマイクロ化学チップ１０１との熱伝導可能な接合、または接続を実現する上で、極めて重要である。換言すれば、マイクロ化学チップ１０１の化学反応部１０２の温度調節を局所的に行うには、熱電素子１０３と熱伝導体１０４と熱交換手段１０５とマイクロ化学チップ１０１との熱的な接続構造を明確にする必要がある。
支柱１１０は、熱交換手段１０５に固定されており、熱交換手段１０５に対して垂直に上方に向かって伸びている。可動部材１０９は、支柱１１０にスライド可能に取り付けられており、任意の位置で支柱１１０に固定される構造となっている。弾性体１０８は、弾性変形可能なバネなどでできており、可動部材１０９の下側の面に固定されている。
可動部材１０９が適切な位置で固定されると、マイクロ化学チップ１０１は、熱電素子１０３および熱伝導体１０４の方向、すなわち下方に適度に加重される。従って、支柱１１０、可動部材１０９および弾性体１０８は、マイクロ化学チップ１０１を加重して、熱伝導接続層１０７に圧力を加える加重手段としての機能を有する。
支持部材１１１は、熱交換手段１０５に固定されており、マイクロ化学チップ１０１を下側から支えることによって、上述した加重手段によってマイクロ化学チップ１０１に適度な加重がかかるようにしている。加重が過度になった場合には、マイクロ化学チップ１０１に強い応力が生じ、それが原因でマイクロ化学チップ１０１が変形したり、壊れてしまう。支持部材１１１は、このような事態が起こるのを防いでいる。
上述したように、加重手段によって熱伝導接続層１０７に圧力がかかるようにして、マイクロ化学チップ１０１と熱伝導体１０４とを密着させて熱伝導可能に接続することによって、熱伝導体１０４とマイクロ化学チップ１０１とを非常に熱抵抗が小さい状態で接続することができる。なお、加重を与えて熱伝導接続層１０７に圧力をかける代わりに、例えば、ネジなどで熱交換手段１０５などにマイクロ化学チップ１０１を固定することにより、マイクロ化学チップ１０１と熱交換手段１０５とを一体化した構成としても、同様の効果が得られる。
また、熱電素子１０３と熱伝導体１０４とを半田や熱伝導性接着剤などの接合層１０６により接合して固定する代わりに、取り外し可能な熱伝導性グリースや熱伝導性シートなどを接合層１０６として用いて熱電素子１０３と熱伝導体１０４を密着させてネジなどで締め付けることにより接合して固定する構成としても同様の効果が得られる。
また、図１には表されていないが、化学反応部１０２の近傍、例えば、熱伝導体１０４の内部に、化学反応部１０２の温度を測定する温度測定手段４０２が設けられている（図５参照）。熱伝導体１０４は、熱電素子１０３とマイクロ化学チップ１０１との間に設けられており、かつ熱伝導性に優れるので、マイクロ化学チップ１０１の、熱伝導体１０４が接続されている部分、すなわち化学反応部１０２の温度分布のバラツキを少なくし、化学反応部１０２の温度を均一化する機能を有する。従って、温度測定手段４０２は、化学反応部１０２の均一化した温度を測定する。温度測定手段４０２については、後述する。
温度測定手段４０２で測定された温度に基づく信号は、図１には表されていないが、温度制御手段５０６に送られる（図６参照）。温度制御手段５０６は、温度測定手段４０２から送られてきた信号に基づいて、温度測定手段４０２での測定温度が目標値となるように、ＰＩＤ制御などにより熱電素子１０３に流す電流の制御を行う。温度制御手段５０６の構成については、後述する。
以上のような構成によって、熱電素子１０３と化学反応部１０２との間の熱抵抗が小さくなり、熱的ロスが小さくなるので、化学反応部１０２の温度を精度良く調節することができる。また、マイクロ化学チップ１０１に一定の加重を与えることによって、熱伝導接続層１０７に加わる圧力が一定となるので、熱伝導接続層１０７による熱抵抗が小さく一定となり、さらに化学反応部１０２の温度調節の精度が向上する。
また、熱伝導接続層１０７として熱伝導性グリースや熱伝導性シートを用いることによって、熱伝導体１０４からマイクロ化学チップ１０１を取り外すことができるので、複数のマイクロ化学チップ１０１を様々な使い方で使用することができる。つまり、汎用性に優れる。ここで、熱伝導接続層１０７はできるだけ薄いのが望ましい。その理由は、熱伝導接続層１０７の熱抵抗がより小さくなるからである。
次に、マイクロ化学チップ１０１の一例について説明する。図２は、本発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置を構成するマイクロ化学チップの一例を示す斜視図である。ここでは、マイクロ化学チップ１０１の内部で、化学プロセスによって病気であるか否かを血液などのサンプルから調べる場合の概念的な例を示す。
図２に示すマイクロ化学チップ１０１は、試料部２０１から搬送路２０３に血液サンプルなどの試料を流し込むとともに、溶媒部２０２から搬送路２０３に溶媒を流し込み、試料を溶媒に溶かして、抽出部２０４で目的の化学物質を抽出する。そして、マイクロ化学チップ１０１は、その抽出された化学物質と、試薬部２０５から流し込む試薬とを反応部２０６で反応させ、廃液部２０７に反応後の不要な物質を分離するとともに、必要な主生成物を検出部２０８で定量的に検出した後、その主生成物を保存部２０９に保存する。
これら試料部２０１、溶媒部２０２、搬送路２０３、抽出部２０４、試薬部２０５、反応部２０６、廃液部２０７、検出部２０８および保存部２０９は、化学反応部１０２に含まれる。そして、試料部２０１、溶媒部２０２、搬送路２０３、抽出部２０４、試薬部２０５、反応部２０６、廃液部２０７、検出部２０８および保存部２０９には、温度依存性のない部分を除いて、それぞれ適切な温度条件が存在する。
例えば、反応部２０６については、反応効率を上げるための適切な温度が４０℃であり、検出部２０８については、最も主生成物を検出しやすい温度が２０℃であり、廃液部２０７や保存部２０９については、廃液や主生成物を安定して保存するための適切な温度が４℃であったりする。このように、マイクロ化学チップ１０１には、試料部２０１、溶媒部２０２、搬送路２０３、抽出部２０４、試薬部２０５、反応部２０６、廃液部２０７、検出部２０８および保存部２０９のように、様々な化学プロセスを行い、最適な温度条件にする必要のある化学反応部１０２が存在する。
図３は、図２に示すマイクロ化学チップの化学反応部と熱電素子との対応関係を示す斜視図である。上述したように、マイクロ化学チップ１０１に、マイクロ化学チップ１０１よりも十分に小さい複数の化学反応部１０２が局所的に設けられており、個々の化学反応部１０２を異なる温度に調節する場合には、図３に示すように、熱電素子１０３は、熱交換手段１０５上の、個々の化学反応部１０２に対応する箇所に一つずつ配置される。
そして、図示省略するが、温度測定手段４０２も、個々の化学反応部１０２の近傍に一つずつ配置され、各温度測定手段４０２により測定された温度に基づいて、温度制御手段５０６により個々の熱電素子１０３に流す電流が独立して制御される。このような構成とすることによって、最適な化学プロセスをマイクロ化学チップ１０１を用いて実現することができる。なお、図３においては、熱伝導体１０４、接合層１０６、熱伝導接続層１０７、弾性体１０８、可動部材１０９、支柱１１０および支持部材１１１は省略されている。
次に、熱電素子１０３の一例について説明する。図４は、本発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置を構成する熱電素子の一例を示す断面図である。図４に示す熱電素子１０３では、ｐ型熱電半導体３０１とｎ型熱電半導体３０２が交互に規則的になるように配置されている。そして、各々の熱電半導体３０１，３０２の両端は、その隣の熱電半導体３０２，３０１に配線電極３０３を介して接続されている。つまり、複数のｐ型熱電半導体３０１とｎ型熱電半導体３０２が交互に電気的に直列に接続されている。
そして、熱電半導体３０１，３０２の直列接続体の両端に位置する熱電半導体３０１，３０２は、それぞれ引き出し電極３０４に接続されている。各引き出し電極３０４には、リード線３０７が接続されている。このような構成の熱電半導体３０１，３０２の直列接続体は、一対の熱伝導板３０５，３０６に挟まれており、配線電極３０３および引き出し電極３０４は、熱伝導板３０５，３０６に接合されている。
これら熱伝導板３０５，３０６のうち、一方は温接点となり、他端は冷接点となる。熱電半導体３０１，３０２の直列接続体に流す電流の向きを変えることによって、熱伝導板３０５，３０６のいずれも温接点または冷接点になり得る。
一方の熱伝導板３０５側が冷接点となるように熱電素子１０３に電流を流して、この熱伝導板３０５が接触している物体を冷却する場合、冷接点で吸収された熱と熱電素子１０３を流れる電流によって生じたジュール熱は、温接点となるもう一方の熱伝導板３０６側に伝わる。そのため、温接点となる熱伝導板３０６側では、伝わってきた熱が放散され得る構造になっていないと、熱電素子１０３に熱が溜まり、熱電素子１０３の温度が上昇してしまう。その結果、冷接点側の温度が上昇してしまう。
また、熱電素子１０３に逆向きの電流を流して、一方の熱伝導板３０５側を温接点とし、この熱伝導板３０５が接触している物体を加熱する場合、もう一方の熱伝導板３０６側は冷接点となる。そのため、冷接点となる熱伝導板３０６側で熱電素子１０３に必要な熱を与える構造にして温度を保つようにしないと、熱電素子１０３の温度が下がってしまう。その結果、加熱したい熱伝導板３０５側の温度が下がってしまう。
つまり、熱電素子１０３の一方の端部を冷却したり加熱したりして温度調節を行うためには、熱電素子１０３の他方の端部で十分に熱交換することができるヒートシンクのようなものが必要不可欠である。そのため、本実施の形態では、熱交換手段１０５が熱電素子１０３に接合層１０６を介して接合されている（図１参照）。熱交換手段１０５については、後述する。
ここで、特に限定しないが、熱伝導板３０５，３０６の材料は、例えば窒化アルミニウムやアルミナなどの熱伝導の良いセラミックスである。また、ｐ型熱電半導体３０１の材料は、例えばＢｉＴｅＳｂからなる合金であり、ｎ型熱電半導体３０２の材料は、ＢｉＴｅＳｅからなる合金である。ただし、熱電材料としては、これらに制限されるものではなく、例えば他のＢｉＴｅ系など、用途に応じて様々な材料が用いられ得る。
過不足する熱を熱交換手段１０５により適切に交換することができる条件下では、熱電素子１０３に流す電流を制御して逆転させたり、または調節することにより、熱電素子１０３は、その一方の面をマイナス数十℃からプラス百数十℃の範囲内で一定の温度に保つことができる。また、ある程度の速さで温度を変化させることも可能である。そして、熱電素子１０３の一方の面（化学反応部１０２に近い面）の温度を上述したようにして一定温度に保つ場合、プラスマイナス０．１℃程度の精度で調節することができるので、化学反応部１０２の温度を十分に高い精度で調節することができる。
なお、熱電素子１０３は、図４に示す構成の他に、ｐ型熱電半導体３０１とｎ型熱電半導体３０２の間を樹脂などで充填し、熱伝導板３０５，３０６の一方または両方を省いた構成としてもよい。熱伝導板３０５，３０６を省いた場合には、例えば、配線電極３０３と熱伝導体１０４との間、または配線電極３０３と熱交換手段１０５との間に絶縁層を設ければよい。また、複数の熱電素子１０３を上下に重ね、それらを合わせて一つの熱電素子として用いることにより、より一層、調節可能な温度範囲が広がり、また温度調節の精度もより高くなる。
本実施の形態で用いられる熱電素子１０３の大きさは、数ｍｍ角程度、例えば１〜３ｍｍ角程度である。このような小さい熱電素子１０３を製造するにあたっては、本出願人による特許第３２２５０４９号の製造方法を適用することができる。すなわち、特許第３２２５０４９号の製造方法を適用することによって、１〜３ｍｍ角程度の大きさの熱電素子１０３が得られるので、マイクロ化学チップ１０１の化学反応部１０２を局所的に加熱したり、冷却することができ、それによって局所的に温度調節を行うことができる。
次に、熱伝導体１０４および温度測定手段４０２の一例について説明する。図５は、本発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置を構成する熱伝導体の一例を示す斜視図である。図５に示すように、本実施の形態では、温度測定手段４０２は、熱伝導体１０４に一体化して設けられている。熱伝導体１０４と温度測定手段４０２を一体化させるため、熱伝導体１０４は穴部４０１を有しており、温度測定手段４０２は、この穴部４０１内に挿入されている。
温度測定手段４０２のリード線４０３は、穴部４０１から外部に引き出されている。そして、穴部４０１は、熱伝導性接着剤などの充填により塞がれており、それによって温度測定手段４０２は、熱伝導体１０４に固定されている。このように、温度測定手段４０２が熱伝導体１０４に内蔵されていることによって、温度測定手段４０２が、マイクロ化学チップ１０１の化学反応部１０２の近傍に配置されるので、化学反応部１０２の温度を精度良く測定することができる。ここで、温度測定手段４０２としては、例えばサーミスター、白金測温抵抗体（Ｐｔ１００Ω）または熱電対などの温度センサーが用いられる。
なお、温度測定手段４０２を熱伝導体１０４と一体化させずに、温度測定手段４０２を熱伝導体１０４から独立させてもよい。この場合、温度測定手段４０２を、マイクロ化学チップ１０１の化学反応部１０２の近傍の面、例えばマイクロ化学チップ１０１の上面に設置してもよいし、マイクロ化学チップ１０１に内蔵する構成としてもよい。
つまり、温度測定手段４０２が化学反応部１０２の温度を測定することができれば、如何なる構成であってもよい。従って、温度測定手段４０２として、例えば非接触で温度を測定することができる放射温度計を設置してもよい。この場合、マイクロ化学チップ１０１から離れた位置で、化学反応部１０２の温度を測定することができる。
なお、熱伝導体１０４を設けずに、熱電素子１０３の熱伝導板３０５（あるいは熱伝導板３０６）が熱伝導体１０４を兼ねる構成としてもよい。この場合、温度測定手段４０２を、熱伝導体１０４を兼ねる熱伝導板３０５（あるいは熱伝導板３０６）と一体化させてもよいし、温度測定手段４０２を熱伝導板３０５（あるいは熱伝導板３０６）から独立させてもよい。
次に、温度制御手段５０６の一例について説明する。図６は、本発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置を構成する温度制御手段の制御システムを説明するためのブロック図である。図６に示すように、温度制御手段５０６は、温度変換回路５０１、電流制御回路５０２、外部コンセント５０４を有する電源回路５０３、およびコンソール５０５を備えている。
図６において省略した温度測定手段４０２は、リード線４０３を介して温度変換回路５０１に接続されている。温度変換回路５０１は、温度測定手段４０２の測定温度に基づいて温度測定手段４０２から出力された電気的な信号を温度の情報に変換する。電流制御回路５０２は、温度変換回路５０１に接続されている。電流制御回路５０２は、温度測定手段４０２の測定温度が予め設定された温度になるように、温度測定手段４０２により測定された温度のフィードバック制御、例えば温度調節を行う際に一般的に用いられるＰＩＤ制御などによって、熱電素子１０３に流す電流の向きや電流量の制御を行う。このような制御を行うことよって、温度測定手段４０２の測定温度が設定温度に対してプラスマイナス０．１℃程度の温度範囲におさまるようにすることができる。
電源回路５０３は、外部コンセント５０４を介して外部より供給された商用電源電圧を所望の直流電圧などに変圧して、電流制御回路５０２に供給する。コンソール５０５は、電流制御回路５０２に接続されており、リアルタイムの温度、すなわち温度測定手段４０２の測定温度と設定温度とを表示する表示部や、設定を変更するスイッチ等を有する。
次に、熱交換手段１０５の一例について説明する。図７は、本発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置を構成する熱交換手段の第１の例を示す断面図である。図７に示すように、熱交換手段１０５の第１の例は、フィン６０１を有するヒートシンクである。この場合、熱交換手段１０５は、フィン６０１を介して周囲の空気と熱交換を行う。なお、フィン６０１の他に、強制的に熱交換を行うためのファンを取り付けた構成としてもよい。この第１の例は、その構造が簡素でコンパクトであるので、温度調節範囲がそれほど広くない場合に適している。
図８は、本発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置を構成する熱交換手段の第２の例を示す断面図である。図８に示すように、熱交換手段１０５の第２の例は、配管６０３を介して恒温装置６０４に接続された液体漕６０２を備えており、液体漕６０２を流れる液体を用いて熱交換を行う構成となっている。この第２の例は、温度調節範囲が広く、特にマイナス数十℃に冷やす必要がある場合に有効である。
上述したように、実施の形態１によれば、マイクロ化学チップ１０１と、熱電素子１０３が熱伝導可能に接合された熱伝導体１０４とを、加重を与えて熱伝導接続層１０７に圧力をかけた状態で熱伝導可能に接続したことにより、マイクロ化学チップ１０１の温度調節が必要な化学反応部１０２と、熱電素子１０３との間の熱抵抗が小さくなる。従って、化学反応部１０２の温度を、加熱や冷却によって局所的に精度良く調節することができるという効果が得られる。
また、実施の形態１によれば、熱交換手段１０５が熱電素子１０３に熱伝導可能に接合されていることによって、熱電素子１０３と熱交換手段１０５との間で効率良く熱交換が起こるので、化学反応部１０２の温度を調節する性能が向上するという効果が得られる。さらに、実施の形態１によれば、熱電素子１０３周辺の熱的ロスが少なくなるので、熱電素子１０３の消費電力が小さくなるという効果が得られる。
また、実施の形態１によれば、図３に示すように、マイクロ化学チップ１０１に十分に小さい複数の化学反応部１０２が局所的に設けられている場合には、個々の化学反応部１０２を異なる温度に精度良く調節することができる。実際に本発明者らは、３ｍｍ×３ｍｍの大きさの熱電素子１０３に接合層１０６を介して５ｍｍ×６ｍｍの大きさの熱伝導体１０４を接合した複数の積層体を、互いの間に１ｍｍの間をあけて接合層１０６を介して熱交換手段１０５に接合し、それら複数の積層体の上に熱伝導接続層１０７を介してさらにマイクロ化学チップ１０１を積層した構成のサンプルを作製した。
そして、隣り合う積層体のうち、一方の目標温度を１５℃とし、もう一方の目標温度を６０℃として室温において温度調節を行った。その結果、互いの温度の影響を受けることなく、両方の積層体をともに目標温度に調節することができた。
この実験結果より、マイクロ化学チップ１０１が５ｃｍ×７ｃｍの大きさである場合には、最大で８０個程度の化学反応部１０２を有するマイクロ化学チップ１０１が得られる。また、１ｍｍ×１ｍｍ程度の大きさの熱電素子１０３を用いれば、５ｃｍ×７ｃｍの大きさのマイクロ化学チップ１０１に数百個から千個程度の化学反応部１０２を有するマイクロ化学チップ１０１が得られる。
実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置の構成を模式的に示す正面図である。図９に示すように、実施の形態２のマイクロ化学チップ温度調節装置は、図１に示す実施の形態１の熱伝導体１０４を省いて、マイクロ化学チップ１０１の化学反応部１０２の近傍の面と熱電素子１０３とを熱伝導接続層１０７を介して直接接続したものである。この場合、温度測定手段４０２は、例えば化学反応部１０２の近傍で、マイクロ化学チップ１０１の上側の面に熱伝導性接着剤などにより接着されている。温度制御手段５０６については、実施の形態１と同様である（実施の形態３以降においても同じ）。
実施の形態２によれば、マイクロ化学チップ１０１と熱電素子１０３との間に熱伝導体１０４が設けられていない分、熱電素子１０３と化学反応部１０２との間の熱抵抗が小さくなり、熱的ロスが小さくなるので、より一層、化学反応部１０２の温度を調節する精度が向上するという効果が得られる。また、マイクロ化学チップ温度調節装置の全体の厚さが小さくなるという効果が得られる。
実施の形態３．
図１０は、本発明の実施の形態３にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置の構成を模式的に示す正面図である。図１０に示すように、実施の形態３のマイクロ化学チップ温度調節装置は、熱伝導接続層１０７として半田や熱伝導性接着剤などを用いて、マイクロ化学チップ１０１に熱伝導体１０４を接合して固定したものである。この場合には、熱伝導体１０４とマイクロ化学チップ１０１との間の熱抵抗が小さいので、マイクロ化学チップ１０１に加重を加えて熱伝導接続層１０７に圧力をかける必要はない。従って、図１０に示す例では、弾性体１０８、可動部材１０９、支柱１１０および支持部材１１１よりなる加重手段は設けられていない。温度測定手段４０２については、実施の形態１または実施の形態２と同様である（実施の形態４以降においても同じ）。
実施の形態３によれば、マイクロ化学チップ１０１、熱伝導体１０４、熱電素子１０３および熱交換手段１０５が一体となっているので、マイクロ化学チップ温度調節装置の取り扱いが容易であるという効果が得られる。また、マイクロ化学チップ温度調節装置を使い捨てにするか、あるいは全く同じ化学プロセスを繰り返し行うような使い方に適しているので、簡便性に優れるという効果が得られる。
実施の形態４．
図１１は、本発明の実施の形態４にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置の構成を模式的に示す正面図である。図１１に示すように、実施の形態４のマイクロ化学チップ温度調節装置は、熱伝導体１０４を熱電素子１０３よりも大きくすることにより、熱伝導体１０４の、熱伝導接続層１０７を介してマイクロ化学チップ１０１と熱伝導可能に接続する部分の面積を、熱電素子１０３の断面積よりも大きくしたものである。
実施の形態４によれば、熱電素子１０３よりも大きい面積の領域の温度を調節することができるので、化学反応部１０２が熱電素子１０３よりも大きい場合などのバリエーションが広がる。従って、マイクロ化学チップ温度調節装置の設計の自由度が大きくなるという効果が得られる。
実施の形態５．
図１２は、本発明の実施の形態５にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置の構成を模式的に示す正面図である。図１２に示すように、実施の形態５のマイクロ化学チップ温度調節装置は、熱伝導体１０４を、熱電素子１０３側からマイクロ化学チップ１０１側へ向かって徐々に狭まるような形状（すなわち、角錐台形状）にすることにより、熱伝導体１０４の、熱伝導接続層１０７を介してマイクロ化学チップ１０１と熱伝導可能に接続する部分の面積を、熱電素子１０３の断面積よりも小さくしたものである。
実施の形態５によれば、熱電素子１０３よりも小さい面積の領域の温度を調節することができるので、化学反応部１０２が熱電素子１０３よりも小さい場合などのバリエーションが広がる。従って、マイクロ化学チップ温度調節装置の設計の自由度が大きくなるという効果が得られる。また、非常に微小な化学反応部１０２の温度を調節することができるという効果が得られる。
実施の形態６．
図１３は、本発明の実施の形態６にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置の構成を模式的に示す正面図である。図１３に示すように、実施の形態６のマイクロ化学チップ温度調節装置は、マイクロ化学チップ１０１内の隣り合って接近している２つの化学反応部１０２ａ，１０２ｂの温度を、それぞれ個別の熱電素子１０３ａ，１０３ｂにより独立して調節する場合、マイクロ化学チップ１０１の、２つの化学反応部１０２ａ，１０２ｂの間に断熱層１１０１を設けたものである。
断熱層１１０１は、例えばマイクロ化学チップ１０１に切り込まれた溝に空気が満たされた構成でもよいし、あるいはその溝に樹脂などの断熱性材料が充填された構成でもよい。また、マイクロ化学チップ１０１の内部に密閉される空洞を作り込み、その空胴の中を真空にすることによって、断熱層１１０１を構成してもよい。化学反応部と熱電素子が３個以上ある場合も同様である。
実施の形態６によれば、化学反応部１０２ａとこれに接近している別の化学反応部１０２ｂとの相互の温度の干渉を極力小さくすることができるので、個々の化学反応部１０２ａ，１０２ｂの温度を独立して精度良く調節することができる。従って、単一のマイクロ化学チップ１０１に設けられた複数の化学反応部１０２ａ，１０２ｂにおいて、様々な化学プロセスを、それらに最適な温度で行うことができるので、化学プロセスの精度を向上させたり、反応速度を速くするなどのマイクロ化学チップ１０１の性能を向上させることができるという効果が得られる。
実施の形態７．
図１４は、本発明の実施の形態７にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置の構成を模式的に示す正面図である。図１４に示すように、実施の形態７のマイクロ化学チップ温度調節装置は、マイクロ化学チップ１０１内の隣り合って接近している２つの化学反応部１０２ａ，１０２ｂの温度を、それぞれ個別の熱電素子１０３ａ，１０３ｂにより独立して調節する場合、２つの化学反応部１０２ａ，１０２ｂの間に、熱電素子１０３ａ，１０３ｂと並列に熱伝導の良い材料からなる熱伝導接続体１２０１を設け、この熱伝導接続体１２０１をマイクロ化学チップ１０１と熱交換手段１０５に熱伝導可能に接続したものである。化学反応部と熱電素子が３個以上ある場合も同様である。
実施の形態７によれば、近接する２つの化学反応部１０２ａ，１０２ｂから伝わる熱が熱伝導接続体１２０１を介して熱交換手段１０５に伝わることによって、それら化学反応部１０２ａ，１０２ｂの相互の温度の干渉を極力小さくすることができるので、個々の化学反応部１０２ａ，１０２ｂの温度を独立して精度良く調節することができる。従って、単一のマイクロ化学チップ１０１に設けられた複数の化学反応部１０２ａ，１０２ｂにおいて、様々な化学プロセスを、それらに最適な温度で行うことができるので、化学プロセスの精度を向上させたり、反応速度を速くするなどのマイクロ化学チップ１０１の性能を向上させることができるという効果が得られる。
なお、実施の形態７の構成と実施の形態６の構成を同時に適用した構成としてもよい。そうすれば、より一層、化学反応部１０２ａ，１０２ｂの相互の温度の干渉を極力小さくすることができるので、さらに、個々の化学反応部１０２ａ，１０２ｂの温度を独立して精度良く調節することができる。
実施の形態８．
図１５は、本発明の実施の形態８にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置の構成を模式的に示す正面図である。図１５に示すように、実施の形態８のマイクロ化学チップ温度調節装置は、マイクロ化学チップ１０１の、化学反応部１０２の近傍の面に凹部１３０１を設け、この凹部１３０１において熱伝導体１０４を熱伝導接続層１０７を介してマイクロ化学チップ１０１に熱伝導可能に接続したものである。なお、熱伝導体１０４を省いて、凹部１３０１において熱電素子１０３とマイクロ化学チップ１０１とを熱伝導接続層１０７を介して直接接続した構成としてもよい。
実施の形態８によれば、凹部１３０１内に熱伝導体１０４の一部が入っていることによって、熱伝導体１０４に接続された熱電素子１０３と化学反応部１０２との距離が短くなるので、化学反応部１０２と熱電素子１０３との間の熱抵抗がさらに小さくなり、熱的ロスが少なくなる。従って、より一層、化学反応部１０２の温度を調節する性能が向上するとともに、熱電素子１０３の消費電力が小さくなるという効果が得られる。また、熱伝導体１０４をマイクロ化学チップ１０１に接続する際の位置決めが容易となるので、マイクロ化学チップ温度調節装置を組み立てる際の作業性が向上するという効果が得られる。
実施の形態９．
図１６は、本発明の実施の形態９にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置の構成を模式的に示す正面図である。図１６に示すように、実施の形態９のマイクロ化学チップ温度調節装置は、マイクロ化学チップ１０１の、化学反応部１０２に対応する箇所に、マイクロ化学チップ１０１の構成材料よりも熱伝導性の良い熱伝導部材１４０１を埋め込み、この熱伝導部材１４０１に熱電素子１０３を、図示省略した接合層１０６を介して熱伝導可能に接合し、固定したものである。実施の形態９は、マイクロ化学チップ１０１の、熱電素子１０３が接続する部分が樹脂などの熱伝導性の悪い材料でできている場合に有効である。
実施の形態９では、例えば、マイクロ化学チップ１０１は、ガラス、シリコンまたは樹脂などでできた基材１４０２に、樹脂でできた板材（以下、樹脂板とする）１４０３を密着させた構成となっている。基材１４０２には、溝が形成されている。この溝は、樹脂板１４０３により覆われており、化学物質が通過する搬送路２０３となる。
搬送路２０３の途中には、化学反応部１０２が設けられている。そして、熱伝導部材１４０１は、樹脂板１４０３の、化学反応部１０２の下側となる箇所に埋め込まれて一体化されている。熱電素子１０３は、図示省略した接合層１０６を介して熱交換手段１０５に熱伝導可能に接合され、固定されている。
このように熱伝導部材１４０１が一体化されたマイクロ化学チップ１０１は、例えば次のようにして製造される。例えば、まず、作業台等の、化学反応部１０２に対応する箇所に、金属製またはセラミックス製の熱伝導部材１４０１を置く。そして、シリコン樹脂、アクリル樹脂またはポリカーボネート樹脂などの板材を加熱して軟化させる。
そして、この軟化した板材を、作業台等の上に置かれた熱伝導部材１４０１に圧力をかけて押しあてることによって、板材の中に熱伝導部材１４０１を埋め込む。板材が冷えて硬化すれば、熱伝導部材１４０１が一体化された樹脂板１４０３ができあがる。この樹脂板１４０３と基材１４０２とを接着するか、または熱圧着して一体化させることにより、マイクロ化学チップ１０１が得られる。
なお、樹脂板１４０３を次のようにして作製してもよい。作業台等の上に熱伝導部材１４０１を置く。その上から低分子の溶剤を流し、その溶剤を所望の厚さに保持する。その状態で溶剤を加熱したり、溶剤に紫外光を照射することにより、溶剤を高分子化させて板状の樹脂板１４０３とする。
実施の形態９によれば、樹脂板１４０３の熱伝導性が悪くても、熱伝導部材１４０１を介して化学反応部１０２と熱電素子１０３との間で効率良く熱が伝わる。その一方で、樹脂板１４０３の樹脂の部分には熱が伝わりにくいため、より一層、局所的に温度調節を行うことができる。従って、マイクロ化学チップ１０１内の隣り合って接近している２つの化学反応部１０２において、相互の温度の干渉を極力小さくすることができるので、個々の化学反応部１０２の温度を独立して精度よく調節することができる。
以上において、本発明は、上述した各実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、熱伝導体１０４または熱電素子１０３とマイクロ化学チップ１０１とを十分に低い熱抵抗で接続することができる場合には、熱伝導接続層１０７を省いてもよい。なお、一般に、熱電素子は発電素子としての機能も有するので、マイクロ化学チップ１０１内での発熱反応および吸熱反応を利用して温度差を作り出し、その温度差を利用して同じ構造で熱電素子１０３において発電することによって、マイクロ化学チップ１０１内における電力として利用することもできる。
以上説明したように、本実施の形態にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、化学プロセスを微小な領域で行う化学反応部を内部に有するマイクロ化学チップ１０１と、化学反応部１０２の近傍に配置されて化学反応部１０２の温度を測定する温度測定手段４０２と、マイクロ化学チップ１０１の、化学反応部１０２の近傍に位置する面に、一方の面が熱伝導可能に接続された熱電素子１０３と、熱電素子１０３の他方の面に熱伝導可能に接合されて固定された熱交換手段１０５と、温度測定手段４０２により測定された温度に基づいて熱電素子１０３に流す電流を制御する温度制御手段５０６と、を備えている。
そのため、マイクロ化学チップ１０１と熱電素子１０３とが熱伝導可能に接続されていることによって、マイクロ化学チップ１０１の温度調節が必要な化学反応部１０２と熱電素子１０３との間の熱抵抗が小さくなり、熱的ロスが少なくなるので、化学反応部１０２の温度を調節する性能が向上する。また、熱交換手段１０５が熱電素子１０３に熱伝導可能に接合されていることによって、熱電素子１０３と熱交換手段１０５との間で効率的に熱交換が起こるので、化学反応部１０２の温度を調節する性能が向上する。また、温度測定手段４０２により化学反応部１０２の温度を測定し、その測定温度が目標温度に近づくように、温度制御手段５０６により熱電素子１０３に流れる電流が制御されるので、化学反応部１０２の温度を精度良く調節することができる。さらに、熱電素子１０３周辺の熱的ロスが少ないので、熱電素子１０３の消費電力が小さくなる。
また、本実施の形態にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、熱電素子１０３が、マイクロ化学チップ１０１に、低熱抵抗で接続するための熱伝導接続層１０７を介して接続されているため、熱伝導接続層１０７が設けられていることによって、熱電素子１０３がマイクロ化学チップ１０１に低熱抵抗で接続するので、より一層、マイクロ化学チップ１０１の化学反応部１０２と熱電素子１０３との間の熱抵抗が小さくなり、熱的ロスが少なくなる。従って、より一層、化学反応部１０２の温度を調節する性能が向上するとともに、熱電素子１０３の消費電力が小さくなる。
また、本実施の形態にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、熱伝導接続層１０７が、熱伝導性グリース、熱伝導性シート、半田または熱伝導性接着剤で構成されているため、熱電素子１０３からマイクロ化学チップを取り外すことができるので、複数のマイクロ化学チップ１０１を様々な使い方で使用することができる。従って、汎用性に優れる。一方、熱伝導接続層１０７として半田や熱伝導性接着剤を用いた場合には、マイクロ化学チップ１０１と熱電素子１０３と熱交換手段１０５が一体となるので、扱いやすく、使い捨てにするか、あるいは全く同じ化学プロセスを繰り返し行うような使い方をすることができる。つまり、簡便性に優れることになる。
また、本実施の形態にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、マイクロ化学チップ１０１を加重して、熱伝導接続層１０７に圧力を加える加重手段（支柱１１０、可動部材１０９および弾性体１０８）を有するため、熱伝導接続層１０７に圧力が加わることによって、熱電素子１０３がマイクロ化学チップ１０１にさらに低熱抵抗で接続するので、マイクロ化学チップ１０１の化学反応部１０２と熱電素子１０３との間の熱抵抗がさらに小さくなり、熱的ロスが少なくなる。従って、より一層、化学反応部１０２の温度を調節する性能が向上するとともに、熱電素子１０３の消費電力が小さくなる。
また、本実施の形態にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、マイクロ化学チップ１０１を支持して、加重手段によってマイクロ化学チップ１０１に過度の加重がかかるのを防ぐ支持部材１１１を有するため、支持部材１１１が、加重手段による過度の加重がマイクロ化学チップ１０１にかかるのを防いでいることによって、過度の加重によりマイクロ化学チップ１０１に強い応力が生じたことが原因でマイクロ化学チップ１０１が変形したり壊れたりするのを防ぐことができる。
また、本実施の形態にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、マイクロ化学チップ１０１に、マイクロ化学チップ１０１よりも小さい領域よりなる複数の化学反応部１０２が設けられており、温度測定手段４０２と熱電素子１０３が、化学反応部１０２ごとに個別に設けられているため、複数の化学反応部１０２が集積されたマイクロ化学チップ１０１において、個々の化学反応部１０２ごとに温度測定手段４０２と熱電素子１０３が設けられていることによって、複数の化学反応部１０２の温度を個別に調節することができるので、個々の化学反応部１０２をそれぞれにとって最適な温度に調節することができる。
また、本実施の形態にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、複数の化学反応部１０２ａ，１０２ｂの間に、空気もしくは断熱性材料で満たされた断熱層１１０１、または真空に保たれた断熱層１１０１を有するため、複数の化学反応部１０２ａ，１０２ｂの間に断熱層１１０１が設けられていることによって、個々の化学反応部１０２ａ，１０２ｂを異なる温度に調節する場合、相互の温度の干渉を極力小さくすることができるので、個々の化学反応部１０２ａ，１０２ｂの温度を精度良く調節することができる。従って、単一のマイクロ化学チップでもって、例えば混合、反応、抽出、分離または濃縮などの様々な化学プロセスを、それらに最適な温度で行うことができるので、化学プロセスの精度を向上させたり、反応速度を速くするなどのマイクロ化学チップ１０１の性能を向上させることができる。
また、本実施の形態にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、複数の化学反応部１０２ａ，１０２ｂの間に、マイクロ化学チップ１０１と熱交換手段１０５とを熱伝導可能に接続する熱伝導接続体１２０１を有するため、個々の化学反応部１０２ａ，１０２ｂを異なる温度に調節する場合、近接する２つの化学反応部１０２ａ，１０２ｂから伝わる熱が熱伝導接続体１０２を介して熱交換手段１０５に伝わることによって、相互の温度の干渉を極力小さくすることができるので、個々の化学反応部１０２ａ，１０２ｂの温度を精度良く調節することができる。従って、単一のマイクロ化学チップ１０１でもって、例えば混合、反応、抽出、分離または濃縮などの様々な化学プロセスを、それらに最適な温度で行うことができるので、化学プロセスの精度を向上させたり、反応速度を速くするなどのマイクロ化学チップ１０１の性能を向上させることができる。
また、本実施の形態にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、マイクロ化学チップ１０１には凹部１３０１が設けられており、該凹部１３０１内に熱電素子１０３の一部を入れた状態でマイクロ化学チップ１０１と熱電素子１０３とが熱伝導可能に接続されているため、熱電素子１０３の一部が、マイクロ化学チップ１０１の化学反応部１０２の近傍に設けられた凹部１３０１内に入っていることによって、熱電素子１０３と化学反応部１０２との距離が短くなるので、化学反応部１０２と熱電素子１０３との間の熱抵抗がさらに小さくなり、熱的ロスが少なくなる。従って、より一層、化学反応部１０２の温度を調節する性能が向上するとともに、熱電素子１０３の消費電力が小さくなる。また、熱電素子１０３をマイクロ化学チップ１０１に接続する際の接続位置の位置決めが容易となるので、マイクロ化学チップ温度調節装置の組み立て作業の作業性が向上する。
また、本実施の形態にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、マイクロ化学チップ１０１に、マイクロ化学チップ１０１の構成材料よりも熱伝導性に優れた材料でできた熱伝導部材１４０１が埋め込まれており、熱電素子１０３が、熱伝導部材１４０１に熱伝導可能に接続されているため、熱電素子１０３が、マイクロ化学チップ１０１に埋め込まれた熱伝導性の良い熱伝導部材１４０１に接続していることによって、その熱伝導部材１４０１の近傍にある化学反応部１０２と熱電素子１０３との間で効率良く熱が伝わる。一方、マイクロ化学チップ１０１が熱伝導性の低い樹脂などでできている場合、樹脂などの部分には熱が伝わりにくいので、より一層、局所的に化学反応部１０２の温度を調節することができる。
また、本実施の形態にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、化学プロセスを微小な領域で行う化学反応部１０２を内部に有するマイクロ化学チップ１０１と、化学反応部１０２の近傍に配置されて同化学反応部１０２の温度を測定する温度測定手段４０２と、マイクロ化学チップ１０１の、化学反応部１０２の近傍に位置する面に熱伝導可能に接続された熱伝導体１０４と、熱伝導体１０４に一方の面が熱伝導可能に接続された熱電素子１０３と、熱電素子１０３の他方の面に熱伝導可能に接合されて固定された熱交換手段１０５と、温度測定手段４０２により測定された温度に基づいて熱電素子１０３に流す電流を制御する温度制御手段５０６と、を備える。
そのため、マイクロ化学チップ１０１と熱伝導体１０４とが熱伝導可能に接続され、かつ熱伝導体１０４と熱電素子１０３とが熱伝導可能に接続されていることによって、マイクロ化学チップの温度調節が必要な化学反応部１０２と熱電素子１０３との間の熱抵抗が小さくなり、熱的ロスが少なくなるので、化学反応部１０２の温度を調節する性能が向上する。また、熱交換手段１０５が熱電素子１０３に熱伝導可能に接合されていることによって、熱電素子１０３と熱交換手段１０５との間で効率的に熱交換が起こるので、化学反応部１０２の温度を調節する性能が向上する。また、温度測定手段４０２により化学反応部１０２の温度を測定し、その測定温度が目標温度に近づくように、温度制御手段５０６により熱電素子１０３に流れる電流が制御されるので、化学反応部１０２の温度を精度良く調節することができる。さらに、熱電素子１０３周辺の熱的ロスが少なくなるので、熱電素子１０３の消費電力が小さくなる。
また、本実施の形態にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、熱伝導体１０４が、マイクロ化学チップ１０１に、低熱抵抗で接続するための熱伝導接続層１０７を介して接続されているため、熱伝導接続層１０７が設けられていることによって、熱伝導体１０４がマイクロ化学チップ１０１に低熱抵抗で接続するので、より一層、マイクロ化学チップ１０１の化学反応部１０２と、熱伝導体１０４に接続された熱電素子１０３との間の熱抵抗が小さくなり、熱的ロスが少なくなる。従って、より一層、化学反応部１０２の温度を調節する性能が向上するとともに、熱電素子１０３の消費電力が小さくなる。
また、本実施の形態にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、熱伝導接続層１０７が、熱伝導性グリース、熱伝導性シート、半田または熱伝導性接着剤で構成されているため、熱伝導接続層１０７が熱伝導性グリースや熱伝導性シートで構成されている場合には、熱伝導体１０４からマイクロ化学チップを取り外すことができるので、複数のマイクロ化学チップ１０１を様々な使い方で使用することができる。従って、汎用性に優れる。一方、熱伝導接続層１０７として半田や熱伝導性接着剤を用いた場合には、マイクロ化学チップ１０１と熱伝導体１０４と熱電素子１０３と熱交換手段１０５が一体となるので、扱いやすく、使い捨てにするか、あるいは全く同じ化学プロセスを繰り返し行うような使い方をすることができる。つまり、簡便性に優れることになる。
また、本実施の形態にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、マイクロ化学チップ１０１を加重して、熱伝導接続層１０７に圧力を加える加重手段（支柱１１０、可動部材１０９および弾性体１０８）を有するため、熱伝導接続層１０７に圧力が加わることによって、熱伝導体１０４がマイクロ化学チップ１０１にさらに低熱抵抗で接続するので、マイクロ化学チップ１０１の化学反応部１０２と、熱伝導体１０４に接続された熱電素子１０３との間の熱抵抗がさらに小さくなり、熱的ロスが少なくなる。従って、より一層、化学反応部１０２の温度を調節する性能が向上するとともに、熱電素子１０３の消費電力が小さくなる。
また、本実施の形態にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、マイクロ化学チップ１０１を支持して、加重手段によってマイクロ化学チップ１０１に過度の加重がかかるのを防ぐ支持部材１１１を有するため、過度の加重によりマイクロ化学チップ１０１に強い応力が生じたことが原因でマイクロ化学チップ１０１が変形したり壊れたりするのを防ぐことができる。
また、本実施の形態にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、熱伝導体１０４の、マイクロ化学チップ１０１に接続する側の面が、該面に平行な熱電素子１０３の断面よりも大きいため、熱伝導体１０４とマイクロ化学チップ１０１との接続面の面積が熱電素子１０３の断面積よりも大きいことによって、熱電素子１０３よりも大きい領域の温度を調節することができるので、マイクロ化学チップ１０１の化学反応部１０２が熱電素子１０３よりも大きい場合などのバリエーションが広がり、マイクロ化学チップ温度調節装置の設計自由度が大きくなる。
また、本実施の形態にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、熱伝導体１０４の、マイクロ化学チップ１０１に接続する側の面が、該面に平行な熱電素子１０３の断面よりも小さいため、熱伝導体１０４とマイクロ化学チップ１０１との接続面の面積が熱電素子１０３の断面積よりも小さいことによって、熱電素子１０３よりも小さい領域の温度を調節することができるので、マイクロ化学チップ１０１の化学反応部１０２が熱電素子１０３よりも小さい場合などのバリエーションが広がり、マイクロ化学チップ温度調節装置の設計自由度が大きくなる。また、非常に微小な化学反応部１０２の温度を調節することができる。
また、本実施の形態にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、温度測定手段４０２が、熱伝導体１０４の内部に設けられているため、温度測定手段４０２が、マイクロ化学チップ１０１の化学反応部１０２の近傍に接続された熱伝導体１０４の内部に設けられており、化学反応部１０２の温度を精度良く測定することができる。従って、その測定温度が目標温度に近づくように熱電素子１０３を制御することによって、化学反応部１０２の温度を精度良く調節することができる。
また、本実施の形態にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、マイクロ化学チップ１０１に、マイクロ化学チップ１０１よりも小さい領域よりなる複数の化学反応部１０２が設けられており、温度測定手段４０２と熱電素子１０３が、化学反応部１０２ごとに個別に設けられているため、複数の化学反応部１０２が集積されたマイクロ化学チップ１０１において、個々の化学反応部１０２ごとに温度測定手段４０２と熱電素子１０３が設けられていることによって、複数の化学反応部１０２の温度を個別に調節することができるので、個々の化学反応部１０２をそれぞれにとって最適な温度に調節することができる。
また、本実施の形態にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、複数の化学反応部１０２ａ，１０２ｂの間に、空気もしくは断熱性材料で満たされた断熱層１１０１、または真空に保たれた断熱層１１０１を有するため、個々の化学反応部１０２ａ，１０２ｂを異なる温度に調節する場合、相互の温度の干渉を極力小さくすることができるので、個々の化学反応部１０２の温度を精度良く調節することができる。従って、単一のマイクロ化学チップ１０１でもって、例えば混合、反応、抽出、分離または濃縮などの様々な化学プロセスを、それらに最適な温度で行うことができるので、化学プロセスの精度を向上させたり、反応速度を速くするなどのマイクロ化学チップ１０１の性能を向上させることができる。
また、本実施の形態にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、複数の化学反応部１０２ａ，１０２ｂの間に、マイクロ化学チップ１０１と熱交換手段１０５とを熱伝導可能に接続する熱伝導接続体１２０１を有するため、個々の化学反応部１０２ａ，１０２ｂを異なる温度に調節する場合、近接する２つの化学反応部１０２ａ，１０２ｂから伝わる熱が熱伝導接続体１２０１を介して熱交換手段に伝わることによって、相互の温度の干渉を極力小さくすることができるので、個々の化学反応部１０２ａ，１０２ｂの温度を精度良く調節することができる。従って、単一のマイクロ化学チップ１０１でもって、例えば混合、反応、抽出、分離または濃縮などの様々な化学プロセスを、それらに最適な温度で行うことができるので、化学プロセスの精度を向上させたり、反応速度を速くするなどのマイクロ化学チップ１０１の性能を向上させることができる。
また、本実施の形態にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、マイクロ化学チップ１０１には凹部１３０１が設けられており、該凹部１３０１内に熱伝導体１０４の一部を入れた状態でマイクロ化学チップ１０１と熱伝導体１０４とが熱伝導可能に接続されているため、熱伝導体１０４の一部が、マイクロ化学チップ１０１の化学反応部１０２の近傍に設けられた凹部１３０１内に入っていることによって、熱伝導体１０４に接続された熱電素子１０３と化学反応部１０２との距離が短くなるので、化学反応部１０２と熱電素子１０３との間の熱抵抗がさらに小さくなり、熱的ロスが少なくなる。従って、より一層、化学反応部１０２の温度を調節する性能が向上するとともに、熱電素子１０３の消費電力が小さくなる。また、熱伝導体１０４をマイクロ化学チップ１０１に接続する際の接続位置の位置決めが容易となるので、マイクロ化学チップ温度調節装置の組み立て作業の作業性が向上する。
以上のように、本発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置は、ＤＮＡチップ、タンパク質解析用チップ、マイクロＴＡＳ、ラボオンチップまたはマイクロリアクターなどに有用であり、特に、それらのマイクロ化学チップの複数の化学反応部を異なる温度に調節して様々な化学プロセスを行う場合に用いられるマイクロ化学チップ温度調節装置に適している。
本発明の実施の形態１にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置の構成を模式的に示す正面図である。 本発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置を構成するマイクロ化学チップの一例を示す斜視図である。 図２に示すマイクロ化学チップの化学反応部と熱電素子との対応関係を示す斜視図である。 本発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置を構成する熱電素子の一例を示す断面図である。 本発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置を構成する熱伝導体の一例を示す斜視図である。 本発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置を構成する温度制御手段の制御システムを説明するためのブロック図である。 本発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置を構成する熱交換手段の一例を示す断面図である。 本発明にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置を構成する熱交換手段の他の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態２にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置の構成を模式的に示す正面図である。 本発明の実施の形態３にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置の構成を模式的に示す正面図である。 本発明の実施の形態４にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置の構成を模式的に示す正面図である。 本発明の実施の形態５にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置の構成を模式的に示す正面図である。 本発明の実施の形態６にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置の構成を模式的に示す正面図である。 本発明の実施の形態７にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置の構成を模式的に示す正面図である。 本発明の実施の形態８にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置の構成を模式的に示す正面図である。 本発明の実施の形態９にかかるマイクロ化学チップ温度調節装置の構成を模式的に示す正面図である。 従来のマイクロ化学チップ温度調節装置の構成を模式的に示す正面図である。
符号の説明
１０１ マイクロ化学チップ
１０２，１０２ａ，１０２ｂ 化学反応部
１０３，１０３ａ，１０３ｂ 熱電素子
１０４ 熱伝導体
１０５ 熱交換手段
１０６ 接合層
１０７ 熱伝導接続層
１０８ 弾性体
１０９ 可動部材
１１０ 支柱
１１１ 支持部材
２０１ 試料部
２０２ 溶媒部
２０３ 搬送路
２０４ 抽出部
２０５ 試薬部
２０６ 反応部
２０７ 廃液部
２０８ 検出部
２０９ 保存部
３０１ ｐ型熱電半導体
３０２ ｎ型熱電半導体
３０３ 配線電極
３０４ 引き出し電極
３０５，３０６ 熱伝導板
３０７，４０３ リード線
４０１ 穴部
４０２ 温度測定手段
５０１ 温度変換回路
５０２ 電流制御回路
５０３ 電源回路
５０４ 外部コンセント
５０５ コンソール
５０６ 温度制御手段
６０１ フィン
６０２ 液体漕
６０３ 配管
６０４ 恒温装置
１１０１ 断熱層
１２０１ 熱伝導接続体
１３０１ 凹部
１４０１ 熱伝導部材
１４０２ 基材
１４０３ 樹脂板

Claims (12)

  1. 化学プロセスを微小な領域で行う化学反応部を内部に有するマイクロ化学チップと、
    前記化学反応部の近傍に配置されて同化学反応部の温度を測定する温度測定手段と、
    前記マイクロ化学チップの、前記化学反応部の近傍に位置する面に、低熱抵抗で接続するための熱伝導接続層を介して、一方の面が熱伝導可能に接続された熱電素子と、
    前記熱電素子の他方の面に熱伝導可能に接合されて固定された熱交換手段と、
    前記温度測定手段により測定された温度に基づいて前記熱電素子に流す電流を制御する温度制御手段と、
    前記マイクロ化学チップを加重して、前記熱伝導接続層に圧力を加える加重手段と、
    前記マイクロ化学チップを支持して、前記加重手段によって前記マイクロ化学チップに過度の加重がかかるのを防ぐ支持部材と、
    を備え、
    前記マイクロ化学チップには、搬送路によって連結され、前記マイクロ化学チップよりも小さい領域よりなる複数の化学反応部が設けられており、
    複数の前記化学反応部の間に、前記マイクロ化学チップと前記熱交換手段とを熱伝導可能に接続する熱伝導接続体を有し、
    前記温度測定手段と前記熱電素子は、化学反応部ごとに個別に設けられ、
    前記温度制御手段は、前記複数の化学反応部を個別に最適な温度に調節するように前記電流を制御することを特徴とするマイクロ化学チップ温度調節装置。
  2. 前記熱伝導接続層は、熱伝導性グリース、熱伝導性シート、半田または熱伝導性接着剤で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ化学チップ温度調節装置。
  3. 複数の前記化学反応部の間に、空気もしくは断熱性材料で満たされた断熱層、または真空に保たれた断熱層を有することを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ化学チップ温度調節装置。
  4. 前記マイクロ化学チップには凹部が設けられており、該凹部内に前記熱電素子の一部を入れた状態で前記マイクロ化学チップと前記熱電素子とが熱伝導可能に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のマイクロ化学チップ温度調節装置。
  5. 前記マイクロ化学チップには、マイクロ化学チップの構成材料よりも熱伝導性に優れた材料でできた熱伝導部材が埋め込まれており、前記熱電素子は、前記熱伝導部材に熱伝導可能に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のマイクロ化学チップ温度調節装置。
  6. 化学プロセスを微小な領域で行う化学反応部を内部に有するマイクロ化学チップと、
    前記化学反応部の近傍に配置されて同化学反応部の温度を測定する温度測定手段と、
    前記マイクロ化学チップの、前記化学反応部の近傍に位置する面に、低熱抵抗で接続するための熱伝導接続層を介して、熱伝導可能に接続された熱伝導体と、
    前記熱伝導体に一方の面が熱伝導可能に接続された熱電素子と、
    前記熱電素子の他方の面に熱伝導可能に接合されて固定された熱交換手段と、
    前記温度測定手段により測定された温度に基づいて前記熱電素子に流す電流を制御する温度制御手段と、
    前記マイクロ化学チップを加重して、前記熱伝導接続層に圧力を加える加重手段と、
    前記マイクロ化学チップを支持して、前記加重手段によって前記マイクロ化学チップに過度の加重がかかるのを防ぐ支持部材と、
    を備え、
    前記マイクロ化学チップには、搬送路によって連結され、前記マイクロ化学チップよりも小さい領域よりなる複数の化学反応部が設けられており、
    複数の前記化学反応部の間に、前記マイクロ化学チップと前記熱交換手段とを熱伝導可能に接続する熱伝導接続体を有し、
    前記温度測定手段と前記熱電素子は、化学反応部ごとに個別に設けられ、
    前記温度制御手段は、前記複数の化学反応部を個別に最適な温度に調節するように前記電流を制御することを特徴とするマイクロ化学チップ温度調節装置。
  7. 前記熱伝導接続層は、熱伝導性グリース、熱伝導性シート、半田または熱伝導性接着剤で構成されていることを特徴とする請求項６に記載のマイクロ化学チップ温度調節装置。
  8. 前記熱伝導体の、前記マイクロ化学チップに接続する側の面が、該面に平行な前記熱電素子の断面よりも大きいことを特徴とする請求項６または７に記載のマイクロ化学チップ温度調節装置。
  9. 前記熱伝導体の、前記マイクロ化学チップに接続する側の面が、該面に平行な前記熱電素子の断面よりも小さいことを特徴とする請求項６または７に記載のマイクロ化学チップ温度調節装置。
  10. 前記温度測定手段は、前記熱伝導体の内部に設けられていることを特徴とする請求項６〜９のいずれか一つに記載のマイクロ化学チップ温度調節装置。
  11. 複数の前記化学反応部の間に、空気もしくは断熱性材料で満たされた断熱層、または真空に保たれた断熱層を有することを特徴とする請求項１０に記載のマイクロ化学チップ温度調節装置。
  12. 前記マイクロ化学チップには凹部が設けられており、該凹部内に前記熱伝導体の一部を入れた状態で前記マイクロ化学チップと前記熱伝導体とが熱伝導可能に接続されていることを特徴とする請求項６〜１１のいずれか一つに記載のマイクロ化学チップ温度調節装置。
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