JP4770251B2 - 成分分離デバイスおよびこれを用いた成分の分離方法 - Google Patents

成分分離デバイスおよびこれを用いた成分の分離方法 Download PDF

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Description

本発明はたとえば血液、乳液などに代表される液体成分と固形成分が混合された溶液の成分を、それぞれに分離するための成分分離デバイスおよびこれを用いた成分の分離方法であり、成分分離器、成分分析器などに応用される。
固形成分と液体が混合された流体として、例えば河川水、海水、血液などが挙げられる。これらは液体成分と固形成分が混合したものであり、砂、細菌、血球細胞などの固形成分は沈殿や分散などの状態で存在し、液体成分に溶融することなく固形として存在している。
そして、これら成分を分離する方法、例えば血球・血漿分離装置としては以下のようなものがある。
通常、血液は液体成分である血漿と固形成分である血球細胞とその他の成分から構成された全血状態で採取される。しかしながら、検査のために必要な成分は血球細胞部分のみであったり、逆に血漿部分のみであったりする場合が多い。例えば、血液中の血糖値を検査するためには血漿成分中に溶融している血糖を測定する必要があり、またDNAを検出するためには血球の一種である白血球細胞からDNAを取り出さなければならない。このため、従来の一般的な方法では採取された全血を血漿・血球成分に分離するために試験管中に全血を入れた後、遠心分離器にセットして所定の遠心力を加えることを行っていた。
このように、遠心分離器で遠心力を加えると試験管内の全血はそれぞれの成分に応じた遠心力を受けることになり、質量の違いによってこれらの成分が分離される。
その後、その上澄み液を抽出することで血漿成分を取り出したり、沈殿物から血球成分を取り出したりすることができる。その後、分離されたそれぞれの成分を検査工程で所定の測定を行うことができる。
また、微量のサンプルを分離する手段としてフィルタを用いる方法もある。これはYong−Kyu Yoonらによって開示されている方法であり、フィルタの多孔質性を利用して、所定の大きさ以上の血球を濾過して血漿成分を得たり、逆に血球を取り出したりするものである。この方法においてはフィルタの穴サイズ・数などが分離特性に影響を与えるので、どの成分を分離するかによって最適化されたフィルタを設計する必要がある。代表的な例では、フィルタの穴サイズ・数などを精度良く再現する方法としては感光性レジトを立体的に感光させることで、メッシュ状のフィルタを精度良く実現するものである(例えば、非特許文献1参照)。
さらに、流体内に懸濁した粒子のマニュピレーションを行うための装置などを利用する方法があり、これは粒子の懸濁した流体を流すためのダクトと、ダクトの片側に配置される超音波トランスデューサと、ダクトの反対側に配置されるリフレクタを有し、これらによってダクトを幅方向に横切る音響定在波を発生させ、これによって粒子が凝集してダクトの縦軸に平行な一つ以上の平面の帯となり、液体成分と固形成分である粒子の分離をする装置である(例えば、特許文献1参照)。
Yong−Kyu Yoon「Integrated vertical screen microfilter system using inclined SU−8 structure.」 MEMS2003、Kyoto、PP.227−230 IEEE発行 特表2001−525722号公報
しかしながら、前記従来のような遠心分離器を用いると次のような問題点がある。すなわち、試験管のような容器に全血を入れる必要があり、これを遠心分離器で分離するので、試験管の中をある程度の量で満たす必要があり、数ミリリットルから数十ミリリットルほどのサンプルが必要である。よってこの方法は得られるサンプル量が少ない場合には困難な方法である。
一方、フィルタによる方法はフィルタ部に複数成分の混合された流体が圧力などの力によって通過する際、固形成分の粒子の大きさによってトラップされたり、通過したりするものであり、このことは複数の大きさの固形成分粒子が存在する場合にこれら成分の分離を困難にする。つまり、特定の大きさの粒子を取り出すため、小さい粒子のみが通過するようにフィルタの大きさを構成すると、大きな粒子はフィルタにトラップされるのでフィルタが目詰まりを起こすようになり、小さな粒子の通過を妨げるようになってしまうという問題を有していた。
また、特許文献1にある方法は音響定在波によって流体の所定の位置に固体粒子が集中するので、フィルタを使う方式に比べて目詰まりなどを起こす心配がないが、音響定在波を発生させる超音波アクチュエータをダクトの流路の側面に構成している。この構成では、超音波アクチュエータが直接ダクトの内部に接しており、ダクト内の流体から汚染を受ける可能性がある。また、超音波アクチュエータがダクトの一部を構成しているので、ダクトは平面で構成される必要があり、これによって超音波アクチュエータの振動面は平面となり、発生できる音響定在波が平面波のみに限られていると言う問題がある。また、ダクトの側面に超音波アクチュエータを正確に設置することが難しいという製造上の困難も有している。
本発明は前記従来の課題を解決するもので、強度の強い音響定在波(定在波)を発生させることで微少量のサンプルでも各成分を高精度に成分を分離することができる成分分離デバイスおよびこれを用いた成分の分離方法を提供することを目的とするものである。
前記従来の課題を解決するために、本発明は、内部に流路を設けた基板と、アクチュエータと、このアクチュエータの前記流路側を除く周囲に溝とを設けた成分分離デバイスであって、前記流路に液体成分および固形成分の混合物を収容あるいは流すことができ、さらに前記アクチュエータを加振することにより流路内に定在波を発生させて前記混合物を液体成分と固形成分、または性質の異なる固形成分に分離するものである。
本発明の成分分離デバイスおよびこれを用いた成分の分離方法は、アクチュエータによって発生した振動が溝の壁面で反射し流路側へ伝わることで振動のロスを低減させ、強度の強い音響定在波を発生させることで小型で高精度に成分を分離することができる成分分離デバイスおよびこれを用いた成分の分離方法を提供することができる。
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1における成分分離デバイスおよびこれを用いた成分の分離方法について図面を用いて説明する。
図1は本発明の実施の形態1における成分分離デバイスの構成を示す斜視図であり、図2は図1の成分分離デバイスを裏面より見た斜視図である。また、図3は図1の平面図であり、図4は図3のA−A部における断面図である。
また、図5〜図8は成分の分離方法を説明するための断面図であり、図9〜図14は成分分離デバイスの製造方法を説明するための断面図である。
図1〜図4において、1はシリコンからなる基板であり、この基板1の内部には所定の幅と深さを有した流路2を形成しており、さらにこの流路2の両端には流入口3と流出口4を設けている。これによって外部より固形成分と液体成分が混合された混合流体を流入および流出させることができる。また基板1にシリコンを利用することによって、生産性に優れた成分分離デバイスを実現することができる。
さらに、流路2とアクチュエータ9a、9b、9c、9dを基板1の同一面方向に向けている。これによって成分分離デバイスを効率よく生産することができる。
また、基板1の下面側の流路2の両側および平行方向に4つのアクチュエータ9a、9b、9c、9dを設けている。
なお、アクチュエータ9は少なくとも一つを設けることにより成分分離デバイスを実現することが可能であるが、複数個のアクチュエータ9を設けることによってその効果をより高めたり、小型の成分分離デバイスを実現することができるという効果を発揮することができる。
このように、流路2を設けた基板1の反対の面にアクチュエータ9a、9b、9c、9dを設けることによって、アクチュエータ9a、9b、9c、9dを流路2と干渉することなく自由に配置することができることから定在波の発生を容易にするとともに、流路2の封止をガラス基板などによって容易に行うことができ、これによって分離の状況を目視で確認しながら成分を分離できる成分分離デバイスを実現することができる。
また、このアクチュエータ9a、9b、9c、9dは基板1に接する順にチタンおよび白金よりなる下部電極6a、6b、6c、6d、チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体7a、7b、7c、7d、チタンおよび金よりなる上部電極8a、8b、8c、8dから構成している。このような構成のアクチュエータ9a、9b、9c、9dは供給する電力が低電圧であっても大きな変位を実現することができるので、より効率的な加振を行うことができる。さらに、大きな変位を連続して発生させたとしても、密着力に優れた積層構造を実現していることから信頼性においても優れた耐久性を実現できるアクチュエータ9a、9b、9c、9dとしている。また、これらの材料は高精度なパターン形成が可能なことから、流路2に対して高精度な位置にアクチュエータ9a、9b、9c、9dを構成することができ、より効率的な定在波の発生を行うことができることから小型の成分分離デバイスを実現することができる。
図1および図2に示すように流路2の両側にアクチュエータ(例えばアクチュエータ9aと9bあるいは9cと9d)を設けることによって、後に述べるように効率的に流路2の内部に定在波を発生させることができる。また、流路2と平行方向にアクチュエータ(例えばアクチュエータ9aと9cあるいは9bと9d)を設けることによって、流路2の内部に異なる周波数の定在波を発生させることができる成分分離デバイスとすることができる。従って、少なくとも複数のアクチュエータ9があればその機能を発揮することができる。
そして、流路2側を除くアクチュエータ9a、9b、9c、9dの周囲に溝5を設けている。図4に示すように、特にこの溝5を完全に貫通する貫通孔の形状に加工することによって定在波のロスをより低減することができ、この溝5を設けることによってアクチュエータ9a、9b、9c、9dで発生させた振動が基板1の周囲に拡散することを抑制し、流路2側へ効率的に集中して伝達することができることから、より強度の強い定在波を発生させることができる。また、隣接したアクチュエータ(例えば9aと9c)を区切るように溝5を形成することによって、隣接したアクチュエータ(例えば9aと9c)を異なる周波数で駆動させた場合において、異なる周波数の振動が干渉しあうことを防ぐことができる。
このように、アクチュエータ9a、9b、9c、9dの流路2側を除く周囲に溝5を形成することによって、アクチュエータ9a、9b、9c、9dで発生した振動が溝5の壁面で反射して流路2側へ伝わることで振動のロスを低減させることができることから、効率の良い成分分離デバイスを実現することができるとともに流路2への振動の制御を容易に行うことのできる成分分離デバイスを実現することができる。
次に、この成分分離デバイスを用いて固形成分と液体成分、または性質の異なる固形成分に分離する分離方法について図5〜図7を用いて説明する。ここで、図5〜図8はそれぞれの成分分離デバイスの流路2近傍を上から見たときの平面図である。
まず、固形成分11と液体成分が混合した流体を流入口3より投入する。この混合した流体は流路2を満たした後、流出口4より流出する。10はこの混合物の流れる方向を示している。通常、何もしない状態では混合流体は固形成分11と液体成分がランダムに流れる。
次に、成分の分離方法における基本的な成分分離の動作はアクチュエータ9aに流路2の幅が超音波の波長λの1/2となる周波数の高周波電圧を印加する。そして、このアクチュエータ9aから発生した超音波振動は基板1に伝達されて流路2の内部に流路2に平行して奇数である一つの節を持つ定在波が発生し、前記流路2の内部に流動している各成分は流路2に平行して発生した定在波の節に凝集するようになる。
さらに、アクチュエータ9bにはアクチュエータ9aに印加する高周波電圧と位相が180度シフトした高周波電圧を印加すると、流路2の内部に一つの節を持つさらに強度の強い定在波を流路2に平行して発生させることができる。このとき、アクチュエータ9aと9cおよびアクチュエータ9bと9dは同じ位相の高周波電圧を印加することによって更に強度の強い定在波を流路2に平行して発生させることができる。この場合、図5に示すように混合流体中の固形成分11は全てこの定在波の節に凝集し、液体成分の流れ12と固体成分の流れ13を作り出すことができる。その後、流出口4より流出した後、液体成分の流れ12と固形成分の流れ13を分岐することで、流路2の壁面側からは液体成分のみを取り出し、流路2の中心からは固形成分11が凝集した混合流体を抽出することができる。このような構成とすることにより、流路2の中心部に固形成分を凝集させることができることから、固形成分の取出しを容易にすることができる小型の成分分離デバイスを実現できるとともに、より低電圧で駆動することができるなど、効率良く成分の分離を行うことができる成分の分離方法を実現することができる。
また、この奇数の定在波を発生させるために流路2の幅が波長λとすると、λ/2、もしくはnλ+λ/2(nは正の整数)となる高周波電圧をアクチュエータ(例えば9a、あるいは9aと9b)に印加することによって流路2に奇数の節を持つ定在波を発生させることができる。このように奇数の節を持つ定在波を発生させることによって固形成分を効率よく分離することができる。
次に、図6に示すようにアクチュエータ9aに流路2の幅が超音波の波長λと同一となる周波数の高周波電圧を印加した場合、流路2の内部に流路2に平行して偶数の2つの節を持つ定在波を発生させることができる。この場合、固体成分の流れ13は2列になって凝集させることができる。
また、この偶数の節を持つ定在波を発生させるために流路2の幅が波長λとすると、nλ(nは正の整数)となる高周波電圧をアクチュエータ9aに印加することによって流路2に偶数の節を持つ定在波を流路2に平行して発生させることができる。このような構成とすることによって、図6に示すように流路2の中心部に液体成分の流れ12を、流路2の壁面側に固形成分の流れ13を作り出すことができる。流出口4より流出した後、液体成分の流れ12と固形成分の流れ13を分岐することで、流路2の壁面側からは固形成分11が凝集された混合流体を、流路の中心からは液体成分のみを抽出することができ、効率よく混合流体から液体成分を取り出すことができる。
また、アクチュエータ9bにアクチュエータ9aに印加する高周波電圧と同位相の高周波電圧を印加することによって、流路2の内部に偶数の2つの節を持つさらに強度の強い定在波を発生させることができるために効率良く混合流体の成分の分離が行えるようになる。
次に、例えば大きさの異なる粒子を含んだ液体の成分の分離方法について説明する。
ここで、定在波の節へ凝集される速度は粒子の性質、例えば粒子の大きさにより異なっており、粒子の大きさが大きくなるほど定在波からの圧力による影響をより強く受け、小さい粒子よりも速く定在波の節に凝集されやすくなるという性質があり、この効果を利用して、前記流路2の内部に偶数個の節を持つ定在波を発生している領域と、奇数個の節を持つ定在波を発生している領域とを形成することにより、液体成分と固形成分、または性質の異なる固形成分を含む混合物を分離することができる。これは偶数個の節を持つ定在波を発生している領域から奇数個の節を持つ定在波を発生している領域へ移るとき、性質の異なる2種類以上の固形成分が定在波の節に集まる速度の違いを利用して、成分を分離する方法である。この成分の分離方法について図7および図8を用いて詳細に説明する。
まず、図7に示すように大きさの異なる固形成分11a、11bと液体成分が混合した混合流体を流入口3より投入する。このとき、流路2の内部にアクチュエータ9aに流路2の幅が超音波の波長λの1/2となる周波数の高周波電圧を印加することによって流路2内には奇数である一つの節を持つ定在波を発生させることができ、流路2の内部に流動している固形成分は定在波の節に凝集するようになる。そして、アクチュエータ9cに流路2の幅が超音波の波長λと同一となる周波数の高周波電圧を印加することによって、流路2の内部には偶数の2つの節を持つ定在波を発生させることができる。このとき、より定在波の影響を受けやすい大きい固形成分11bが定在波の節に凝集するとともに、小さい固形成分11aは定在波の影響を受けにくい強度となるようにアクチュエータ9cに印加する高周波電圧を制御することによって、図7に示すように、流路2の壁面側に大きい固形成分11bの固形成分の流れ13bと、流路の中心に固形成分11aの固形成分の流れ13aを作り出すことができることから、大きさの異なる固形成分11aと11bを効率よく分離することができる。
次に、大きさの異なる固形成分11a、11bを分離する別の方法について図8を用いて説明する。その方法は、流路2の内部にアクチュエータ9aに流路2の幅が超音波の波長λと同一となる周波数の高周波電圧を印加することによって、流路2の内部には偶数の2つの節を持つ定在波を発生させ、流路2の内部に流動している成分は定在波の節に凝集するようになる。そして、アクチュエータ9cに流路2の幅が超音波の波長λの1/2となる周波数の高周波電圧を印加することによって、流路2内には奇数である一つの節を持つ定在波を発生させる。このとき、より定在波の影響を受けやすい大きい固形成分11bが定在波の節に凝集するとともに、小さい固形成分11aは定在波の影響を受けにくい強度となるようにアクチュエータ9cに印加する高周波電圧を制御することによって、図8に示すように、流路2の壁面側に小さい固形成分11aの固形成分の流れ13aと、流路の中心に大きい固形成分11bの固形成分の流れ13bを作り出すことができることから、大きさの異なる固形成分11aと11bを効率よく分離することができる。以上説明してきたような構成とすることにより、性質の異なる2種類以上の固形成分が定在波の節に集まる速度の違いを利用して分離することができる成分の分離方法を実現することができる。
次に、前記のような構成を有する成分分離デバイスの製造方法について、図面を用いて説明する。図9〜図14は実施の形態1における成分分離デバイスを製造する手順を示した断面図である。
まず、図9に示すようにシリコンからなる基板1に、順にチタンおよび白金層14、チタン酸ジルコン酸鉛15、チタンおよび金層16を薄膜技術によって形成する。これらを形成する薄膜形成方法はチタンおよび白金層14およびチタンおよび金層16についてはスパッタリング、蒸着など通常の方法を用いる。
また、チタン酸ジルコン酸鉛層15についてはスパッタリング法、水熱合成法、ゾルゲル法などを用いることができる。特にスパッタリングによってチタン酸ジルコン酸鉛などを形成すると、圧電特性が高く、安定した変位の得られる圧電薄膜とすることができる。
次に、図10に示すように所定のパターンにレジストマスク17を形成した後、最上層のチタンおよび金層16をエッチングによってパターニングされた上部電極8を形成する。その後、このレジストマスク17はエッチング後に除去する。
次に、図11に示すように所定のパターンにレジストマスク18を形成し、チタン酸ジルコン酸鉛15をエッチングして、同様に分割された圧電体7を形成する。その後、このレジストマスク18はエッチング後に除去する。
次に、図12に示すように所定のパターンにレジストマスク19を形成し、チタンおよび白金層14をエッチングすることによって下部電極6を形成する。その後、このレジストマスク19はエッチング後に除去する。
次に、図13に示すように基板1の上面に所定のパターンにレジストマスク20を形成し、シリコンからなる基板1をエッチングすることによって、基板1の内部に流路2を形成する。その後、このレジストマスク20はエッチング後に除去する。
次に、図14に示すように所定のパターンにレジストマスク21を形成し、シリコンからなる基板1をエッチングして、基板1に溝5を形成する。このとき、溝5の深さは深いほど定在波のリークが少なくなるので、溝5は貫通孔とすることが望ましい。その後、このレジストマスク21はエッチング後に除去する。
また、図13および図14において、基板1であるシリコンをエッチングする方法としてドライエッチング法を用いることにより、微細な形状の流路2および溝5を高精度に加工することができる。さらに、このドライエッチング法によって加工する際、エッチングを促進するガスとエッチングを抑制するガスを混合させてドライエッチングを行うことにより、より高精度に加工することができる。
以上の製造方法により、本発明の成分分離デバイスを製造することができる。
(実施の形態2)
以下、本発明の実施の形態における成分分離デバイスについて図面を用いて説明する。
図15は本発明の実施の形態2における成分分離デバイスの形態を示す断面図であり、特に実施の形態1と異なる点は、基板1であるシリコンに形成した溝5の流路2側の壁面とアクチュエータ9を設けた基板1の面が鋭角となるように形成している点である。このような構成とすることによって、流路2に到達するまでの距離の短い反射波を利用することができるとともに、流路2の壁面への入射角がより鋭角となるため、より効率的な成分の分離ができる成分分離デバイスを実現することができる。
また、このような形状を有する溝5はウエットエッチング法によってシリコンからなる基板1の結晶異方性を利用しながらエッチングすることによって傾斜した壁面を有する基板1を作製することができる。
本発明は、たとえば、血液、乳液などに代表される、液体成分と固形成分が混合された溶液の成分を、それぞれの成分に分離することができるという効果を有し、成分分離器、成分分析機などに有用である。
本発明の実施の形態1における成分分離デバイスの形態を示す斜視図 同斜視図 同平面図 同断面図 同成分の分離方法を説明するための断面図 同断面図 同断面図 同断面図 同成分分離デバイスの製造方法を説明するための断面図 同断面図 同断面図 同断面図 同断面図 同断面図 本発明の実施の形態2における成分分離デバイスの形態を示す断面図
符号の説明
1 基板
2 流路
3 流入口
4 流出口
5 溝
6、6a、6b、6c、6d 下部電極
7、7a、7b、7c、7d 圧電体
8、8a、8b、8c、8d 上部電極
9、9a、9b、9c、9d アクチュエータ
10 混合物の流れ
11、11a、11b 固形成分
12 液体成分の流れ
13、13a、13b 固形成分の流れ
14 チタンおよび白金層
15 チタン酸ジルコン酸鉛
16 チタンおよび金層
17、18、19、20、21 レジストマスク

Claims (12)

  1. 内部に流路を設けた基板と、下部電極、圧電体および上部電極とからなるアクチュエータと、前記流路側を除くアクチュエータの周囲に設けた溝とからなる成分分離デバイスであって、前記流路に液体成分および固形成分の混合物を収容あるいは流すことができ、さらに前記アクチュエータを加振することにより流路内に定在波を発生させて前記混合物を液体成分と固形成分、または性質の異なる固形成分に分離できる成分分離デバイス。
  2. 溝を貫通孔とした請求項1に記載の成分分離デバイス。
  3. 流路とアクチュエータを同一面方向に設けた請求項1に記載の成分分離デバイス。
  4. 流路を介して複数のアクチュエータを対向させて配置した請求項1に記載の成分分離デバイス。
  5. 流路に沿って複数のアクチュエータを配置した請求項1に記載の成分分離デバイス。
  6. 基板の上面に流路を設け、前記基板の下面にアクチュエータを設けた請求項1に記載の成分分離デバイス。
  7. アクチュエータを形成した基板面と、溝の流路側の壁面のなす角を鋭角とした請求項1に記載の成分分離デバイス。
  8. 基板をシリコンとした請求項1に記載の成分分離デバイス。
  9. 下部電極をチタンおよび白金とし、圧電体をチタン酸ジルコン酸鉛とし、上部電極をチタンおよび金とした請求項1に記載の成分分離デバイス。
  10. 内部に流路を設けた基板と、前記流路の両側に対向して設けた下部電極と圧電体と上部電極からなる複数のアクチュエータと、このアクチュエータの前記流路側を除く周囲に溝とを設け、前記アクチュエータを加振することにより流路内に定在波を発生させる成分分離デバイスを用いて、前記アクチュエータに位相が180度異なる高周波電圧を印加して加振することによって前記流路内に奇数個の節を持つ定在波を発生させて前記流路に液体成分および固形成分の混合物を収容あるいは流すことによって、前記混合物を液体成分と固形成分、または性質の異なる固形成分に分離する成分の分離方法。
  11. 内部に流路を設けた基板と、前記流路の両側に対向して設けた下部電極と圧電体と上部電極からなる複数のアクチュエータと、このアクチュエータの前記流路側を除く周囲に溝とを設け、前記アクチュエータを加振することにより流路内に定在波を発生させる成分分離デバイスを用いて、前記アクチュエータに同位相の高周波電圧を印加して加振することによって前記流路内に偶数個の節を持つ定在波を発生させて、前記流路に液体成分および固形成分の混合物を収容あるいは流すことによって、前記混合物を液体成分と固形成分、または性質の異なる固形成分に分離する成分の分離方法。
  12. 内部に流路を設けた基板と、少なくとも前記流路の片側に設けた下部電極と圧電体と上部電極からなる複数のアクチュエータと、このアクチュエータの前記流路側を除く周囲に溝とを設け、前記アクチュエータを加振することにより流路内に定在波を発生させる成分分離デバイスを用いて、前記アクチュエータに異なる周波数の高周波電圧を印加して加振する成分分離デバイスを用い、前記流路内の所定の領域に奇数個の節を持つ定在波を発生させるとともに、前記流路内の別の領域に偶数個の節を持つ定在波を発生させて、前記流路に液体成分および固形成分の混合物を収容あるいは流すことによって、前記混合物を液体成分と固形成分、または性質の異なる固形成分にする成分の分離方法。
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