JP4868526B2 - 試料導入マイクロデバイス - Google Patents

Description

本発明は試料導入マイクロデバイスに関し、特に、基板上に形成された微小流路を用いて微小容量の液体の混合、反応、分離、精製、抽出、分析などを行うマイクロポンプ、マイクロミクサ、マイクロリアクタ、μＴＡＳ（マイクロトータルアナリシスシステム）などに適用して好適なものである。

近年、マイクロマシニング技術を用いてシリコンやガラス、プラスチックなどの基板上に微小流路（マイクロチャンネル）を形成し、その微小空間を各種の液体の混合、反応、分離、精製、抽出、分析などの場に利用する試みが注目されている。これらの分野に供されるデバイスは、その使用目的に応じて、マイクロポンプ、マイクロミクサ、マイクロリアクタ、μＴＡＳ（マイクロトータルアナリシスシステム）などと呼ばれている。
このような分野では、反応流路の等価直径（流路の断面を円に換算したときの直径）が５００μｍより小さいものが微小流路とされている。そして、このような微小流路のように、流路のスケールが微小化すると、単位体積当たりの表面積が非常に大きくなるという特徴がある。

そして、このような特徴によって、微小流路を流れる液体の温度、圧力、濃度などの勾配が大きくなるため、熱伝導や物質移動拡散などの効率が向上し、反応系での反応時間を短縮させたり、反応速度を向上させたりすることができる。さらに、微小量の反応で適量合成が可能となる上に、高い再現性も得ることができ、薬品や触媒試薬類などの使用量を大幅に低減することが可能となることから、経済的にも有効である。
このような分野に供される試料導入マイクロデバイスの構造に関する従来技術として、以下に示すように、圧電素子を用いたデフューザ型のマイクロポンプの形態を持つ試料導入マイクロデバイスや、インクジェット技術を応用したディスペンサ型の形態を持つ試料導入マイクロデバイスが提案されている。

図５（ａ）は、従来のデフューザ型のマイクロポンプの形態を持つ試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）の試料導入マイクロデバイスをＡ−Ａ´線で切断して示す断面図である。
図５において、試料導入マイクロデバイスには、蓋板１６ｅおよび基板１７ｅが設けられ、蓋板１６ｅは基板１７ｅ上に固定されている。
ここで、基板１７ｅには、加圧室１ｅが形成されるとともに、加圧室１ｅの入口側には、デフューザ２ｅを有する微小流路４ｅが形成され、加圧室１ｅの出口側には、デフューザ３ｅを有する微小流路５ｅが形成されている。

また、蓋板１６ｅには、微小流路４ｅの一端に接続された供給口７ｅおよび微小流路５ｅの一端に接続された流出口９ｅが形成され、蓋板１６ｅ上には、蓋板１６ｅを振動板１１ｅとして駆動するための圧電素子１０ｅが加圧室１ｅ上に位置するように配置されている。そして、供給口７ｅには、液体の供給源６ｅに接続され、流出口９ｅには、液体の導入先８ｅに接続されている。

そして、圧電素子１０ｅを動作させて振動板１１ｅを振動させると、加圧室１ｅの容積が変化し、加圧室１ｅが膨張することで流体を吸い込ませ、加圧室１ｅが収縮することで流体を吐出させるという動作を繰り返すことで送液することができる。また、振動板１１ｅにより生じる流れが流路形状の抵抗差によって変化することを利用して、狭い方から広い方への流れを作り出すことができる。

図６（ａ）は、従来のディスペンサ型の形態を持つ試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）の試料導入マイクロデバイスをＢ−Ｂ´線で切断して示す断面図である。
図６において、試料導入マイクロデバイスには、蓋板１６ｆおよび基板１７ｆが設けられ、蓋板１６ｆは基板１７ｆ上に固定されている。
ここで、基板１７ｆには、加圧室１ｆが形成されるとともに、加圧室１ｆの入口側には、微小流路１２ｆが形成されている。また、加圧室１ｆの出口側には、微小流路１３ｆを介して毛細管効果を持つノズル形状流路１４ｆが形成され、ノズル形状流路１４ｆの先端にはノズル穴１５ｆが設けられ、ノズル穴１５ｆにおいて液体と気体との界面が形成されるように構成されている。

また、蓋板１６ｆには、微小流路１２ｆの一端に接続された供給口７ｆが形成され、蓋板１６ｆ上には、蓋板１６ｆを振動板１１ｆとして駆動するための圧電素子１０ｆが加圧室１ｆ上に位置するように配置されている。そして、供給口７ｆには、液体の供給源６ｆに接続されている。
そして、圧電素子１０ｆを動作させて振動板１１ｆを振動させると、加圧室１ｆの容積が変化し、加圧室１ｆが膨張することで流体を吸い込ませ、加圧室１ｆが収縮することで流体を吐出させるという動作を繰り返すことで送液することができる。そして、振動板１１ｆの変位により送液された液体は、ノズル形状流路１４ｆの毛細管力を利用してノズル穴１５ｆに供給されながら、ノズル穴１５ｆから微小の液滴状に押し出すことができる。
また、例えば、特許文献１には、微量の分注量と吐出流量とを確保できるようにするために、ノズル板、通路板、キャビティ板および振動板を積層接合して液体の搬送流路を形成する方法が開示されている。
また、近年では、図６の技術を応用した試料導入マイクロデバイスの研究も行われている（特許文献２）。

図７は、従来の試料導入マイクロデバイスのその他の概略構成の一例を示す平面図である。
図７において、試料導入マイクロデバイスには、蓋板１６ｇおよび基板１７ｇが設けられ、蓋板１６ｇは基板１７ｇ上に固定されている
ここで、基板１７ｇには、加圧室１ｇが形成されるとともに、加圧室１ｇの入口側には、微小流路１２ｇが形成されている。また、加圧室１ｇの出口側には、微小流路１３ｇを介して毛細管効果を持つノズル形状流路１４ｇが形成され、ノズル形状流路１４ｇの流出口２０ｇにはノズル穴１５ｇが設けられ、ノズル穴１５ｇにおいて液体と気体との界面が形成されるように構成されている。また、微小流路１３ｇの途中には、合流点１９ｇを介して微小流路１８ｇが接続されている。

また、蓋板１６ｇには、微小流路１２ｇの一端に接続された供給口７ｇおよび微小流路１８ｇの一端に接続された供給口４０ｇが形成され、蓋板１６ｇ上には、蓋板１６ｇを振動板として駆動するための圧電素子１０ｇが加圧室１ｇ上に位置するように配置されている。なお、供給口７ｇは、バッファや誘導体化試薬を試料導入マイクロデバイス内に導入するために使用することができ、供給口４０ｇは、分析対象の試料を試料導入マイクロデバイス内に導入するために使用することができる。

そして、供給口７ｇから試料Ｘを供給するとともに、供給口４０ｇから試料Ｙを供給しながら、圧電素子１０ｇを動作させる。すると、試料Ｘは微小流路１２ｇ→加圧室１ｇ→微小流路１３ｇ→ノズル形状流路１４ｇという経路で送液され、試料Ｙは微小流路１８ｇ→微小流路１３ｇ→ノズル形状流路１４ｇという経路で送液されながら、ノズル形状流路１４ｇの共用流路区間２９ｇにおいて試料Ｘ、Ｙが混合され、混合された試料Ｘ、Ｙがノズル形状流路１４ｇの毛細管力を利用してノズル穴１５ｇに供給されながら、ノズル穴１５ｇから微小の液滴状に押し出される。

図８は、従来の試料導入マイクロデバイスのさらにその他の概略構成の一例を示す平面図である。
図８において、試料導入マイクロデバイスには、蓋板１６ｈおよび基板１７ｈが設けられ、蓋板１６ｈは基板１７ｈ上に固定されている
ここで、基板１７ｈには、加圧室１ｈが形成されるとともに、加圧室１ｈの入口側には、微小流路１２ｈが形成されている。また、加圧室１ｈの出口側には、微小流路１３ｈを介して毛細管効果を持つノズル形状流路１４ｈが形成され、ノズル形状流路１４ｈの流出口２０ｈにはノズル穴１５ｈが設けられ、ノズル穴１５ｈにおいて液体と気体との界面が形成されるように構成されている。また、微小流路１３ｈの途中には、合流点１９ｈを介して微小流路１８ｈが接続され、微小流路１８ｈの分岐点３７ｈにはＵ字状の微小流路３５ｈが接続されている。

また、蓋板１６ｈには、微小流路１２ｈの一端に接続された供給口７ｈ、微小流路１８ｈの一端に接続された供給口４０ｈおよび微小流路３５ｈの一端に接続された流出口３６ｈが形成され、蓋板１６ｈ上には、蓋板１６ｈを振動板として駆動するための圧電素子１０ｈが加圧室１ｈ上に位置するように配置されている。なお、供給口７ｈは、バッファや誘導体化試薬を試料導入マイクロデバイス内に導入するために使用することができ、供給口４０ｈは、分析対象の試料を試料導入マイクロデバイス内に導入するために使用することができ、流出口３６ｈは、供給口４０ｈから供給された過剰な試料を排出するために使用することができる。

そして、供給口７ｈから試料Ｘを供給するとともに、供給口４０ｈから試料Ｙを供給しながら、圧電素子１０ｈを動作させる。すると、試料Ｘは微小流路１２ｈ→加圧室１ｈ→微小流路１３ｈ→ノズル形状流路１４ｈという経路で送液され、試料Ｙは微小流路１８ｈ→微小流路１３ｈ→ノズル形状流路１４ｈという経路で送液されながら、ノズル形状流路１４ｈの共用流路区間２９ｈにおいて試料Ｘ、Ｙが混合され、混合された試料Ｘ、Ｙがノズル形状流路１４ｈの毛細管力を利用してノズル穴１５ｈに供給されながら、ノズル穴１５ｈから微小の液滴状に押し出される。

また、供給口４０ｈから断続的に試料が供給され続ける場合、圧電素子１０ｈの動作を停止させると、供給口４０ｈから供給された試料が微小流路１８ｈ→微小流路３５ｈという経路で送液され、供給口４０ｈから供給された過剰な試料が流出口３６ｈから排出される。
特開２００４−１１６３２７号公報 特開２００５−３２６３９２号公報

しかしながら、図８に示すように、供給口４０ｈから供給された過剰な試料を排出させるために、微小流路１８ｈ、３５ｈを介して供給口４０ｈに接続された流出口３６ｈを設けた場合においても、微小流路３４ｈに残留した分と、ノズル形状流路１４ｈの共用流路区間２９ｈに残留した分は流出口３６ｈから排出させることができない。このため、圧電素子１０ｈの動作を再開させると、微小流路３４ｈに残留した分とノズル形状流路１４ｈの共用流路区間２９ｈに残留した分はノズル穴１５ｈから吐出され、検出器に導入されることから、検出精度の劣化を招くという問題があった。
そこで、本発明の目的は、導入休止時に内部に残留する試料の量を低減するとともに、必要なタイミングで必要な量だけ試料を導入することが可能な試料導入マイクロデバイスを提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１記載の試料導入マイクロデバイスは、基板と、該基板の表面を覆う蓋板と、該蓋板の上に設置された第１の圧電素子とを具備し、前記第１の圧電素子で発生した振動力により液体を加圧する第１の加圧室と、該第１の加圧室に液体を導入する第１の微小流路と、前記第１の加圧室に導入された液体を排出する第２の微小流路と、該第２の微小流路を流通した液体を前記基板の外部に吐出する第１のノズル形状流路と、前記第２の微小流路と前記第１のノズル形状流路との間に共有流路区間を形成する第３の微小流路と、前記第２の微小流路を流通した液体と前記共有流路区間で混合し合う液体を前記第３の微小流路に導入する第４の微小流路と、前記第３の微小流路を流通した液体の流れを前記第１のノズル形状流路に流入する流れと前記第１のノズル形状流路に流入しない流れとに分岐する第５の微小流路が前記基板の表面に形成されているとともに、前記第１の微小流路に液体を供給する第１の供給口と、前記第４の微小流路に液体を供給する第２の供給口が前記蓋板に形成された試料導入マイクロデバイスであって、前記基板の表面に第２の加圧室と、前記第５の微小流路に流入した液体を前記第２の加圧室に導入する第６の微小流路と、前記第２の加圧室に導入された液体を排出する第７の微小流路とを形成するとともに、前記第７の微小流路に流入した液体を排出する排出口を前記蓋板に形成し、かつ前記第２の加圧室に流入した液体を振動力により加圧する第２の圧電素子を前記蓋板の上に設置したことを特徴とする。

これにより、第２微小流路からの分岐を伴うことなく、第２微小流路にて輸送される第２の液体を第１微小流路に送ることが可能となるとともに、第１微小流路と第２微小流路との分岐点を流出口に近接して配置することが可能となる。このため、第１および第２微小流路の合流点と第１微小流路の流出口との間に残留する第２の液体の量を減らしつつ、試料導入マイクロデバイス内に残留した第２の液体を排出口から排出させることが可能となるとともに、第２微小流路からの分岐先に第２の液体が残留したままになるのを防止することができ、第２供給口から第２の液体が断続的に供給された場合においても、第１の液体と第２の液体の混合試料を必要なタイミングで必要な量だけ試料導入マイクロデバイスの流出口に送液することが可能となるとともに、導入休止時に試料導入マイクロデバイスの内部に残留する第２の液体の量を低減することができ、第２の液体の検出精度を向上させることができる。

また、請求項２記載の試料導入マイクロデバイスは、基板と、該基板の表面を覆う蓋板と、該蓋板の上に設置された第１の圧電素子とを具備し、前記第１の圧電素子で発生した振動力により液体を加圧する第１の加圧室と、該第１の加圧室に液体を導入する第１の微小流路と、前記第１の加圧室に導入された液体を排出する第２の微小流路と、該第２の微小流路を流通した液体を前記基板の外部に吐出する第１のノズル形状流路と、前記第２の微小流路と前記第１のノズル形状流路との間に共有流路区間を形成する第３の微小流路と、前記第２の微小流路を流通した液体と前記共有流路区間で混合し合う液体を前記第３の微小流路に導入する第４の微小流路と、前記第３の微小流路を流通した液体の流れを前記第１のノズル形状流路に流入する流れと前記第１のノズル形状流路に流入しない流れとに分岐する第５の微小流路が前記基板の表面に形成されているとともに、前記第１の微小流路に液体を供給する第１の供給口と、前記第４の微小流路に液体を供給する第２の供給口が前記蓋板に形成された試料導入マイクロデバイスであって、前記基板の表面に第２の加圧室と、前記第５の微小流路に流入した液体を前記第２の加圧室に導入する第６の微小流路と、前記第２の加圧室に導入された液体を前記基板の外部に吐出する第２のノズル形状流路とを形成するとともに、前記第２の加圧室に流入した液体を振動力により加圧する第２の圧電素子を前記蓋板の上に設置したことを特徴とする。

また、請求項３記載の試料導入マイクロデバイスは、基板と、該基板の表面を覆う蓋板と、該蓋板の上に設置された第１の圧電素子とを具備し、前記第１の圧電素子で発生した振動力により液体を加圧する第１の加圧室と、該第１の加圧室に液体を導入する第１の微小流路と、前記第１の加圧室に導入された液体を排出する第２の微小流路と、該第２の微小流路を流通した液体を前記基板の外部に吐出する第１のノズル形状流路と、前記第２の微小流路と前記第１のノズル形状流路との間に共有流路区間を形成する第３の微小流路と、前記第２の微小流路を流通した液体と前記共有流路区間で混合し合う液体を前記第３の微小流路に導入する第４の微小流路と、前記第３の微小流路を流通した液体の流れを前記第１のノズル形状流路に流入する流れと前記第１のノズル形状流路に流入しない流れとに分岐する第５の微小流路が前記基板の表面に形成されているとともに、前記第１の微小流路に液体を供給する第１の供給口と、前記第４の微小流路に液体を供給する第２の供給口が前記蓋板に形成された試料導入マイクロデバイスであって、前記基板の表面に第２の加圧室と、該第２の加圧室に液体を導入する第６の微小流路と、前記第２の加圧室に導入された液体を第５の微小流路に流入した液体と共に前記基板の外部に吐出する第２のノズル形状流路とを形成するとともに、前記第６の微小流路に液体を供給する第３の供給口を前記蓋板に形成し、かつ前記第２の加圧室に流入した液体を振動力により加圧する第２の圧電素子を前記蓋板の上に設置したことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、第２供給口から第２の液体が断続的に供給された場合においても、第１の液体と第２の液体の混合試料を必要なタイミングで必要な量だけ試料導入マイクロデバイスの流出口に導入することが可能となるとともに、導入休止時に試料導入マイクロデバイスの内部に残留する第２の液体の量を低減することができ、第２の液体の検出精度を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態に係る試料導入マイクロデバイスについて図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）および図１（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る試料導入マイクロデバイスを層方向に分解して示す平面図、図１（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係る試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図である。
図１において、試料導入マイクロデバイスには、蓋板１６ａおよび基板１７ａが設けられ、蓋板１６ａは基板１７ａ上に固定されている。なお、蓋板１６ａおよび基板１７ａの材質としては、例えば、シリコン、ガラス、プラスチックまたはステンレス鋼などを用いることができる。

ここで、基板１７ａには、加圧室１ａが形成されるとともに、加圧室１ａの入口側には、微小流路１２ａが形成されている。また、加圧室１ａの出口側には、微小流路１３ａを介して毛細管効果を持つノズル形状流路１４ａが形成され、ノズル形状流路１４ａの先端にはノズル穴３０ａが設けられ、ノズル穴３０ａにおいて液体と気体との界面が形成されるように構成されている。

また、基板１７ａには、合流点１９ａにてノズル形状流路１４ａと合流する微小流路１８ａが形成されるとともに、分岐点３８ａにてノズル形状流路１４ａから分岐する微小流路２５ａが形成され、微小流路１８ａ、２５ａの間には、微小流路１８ａ、２５ａとノズル形状流路１４ａとの間で流路を共有する共有流路区間２９ａが設けられている。
なお、加圧室１ａ、微小流路１２ａ、１３ａ、１８ａ、２５ａおよびノズル形状流路１４ａを基板１７ａに形成する方法としては、例えば、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いることができる。

また、蓋板１６ａには、微小流路１２ａの一端に接続された供給口７ａ、微小流路１８ａの一端に接続された供給口４０ａおよび微小流路２５ａの先端に接続された排出口２７ａが形成され、蓋板１６ａ上には、蓋板１６ａを振動板として駆動するための圧電素子１０ａが加圧室１ａ上に位置するように配置されている。
ここで、供給口７ａは、バッファや誘導体化試薬を試料導入マイクロデバイス内に導入するために使用することができ、供給口４０ａは、分析対象の試料を試料導入マイクロデバイス内に導入するために使用することができる。また、排出口２７ａは、供給口４０ａから供給された過剰分の試料を排出するために使用することができ、ノズル穴３０ａは、供給口７ａ、４０ａからそれぞれ供給された液体の混合試料を必要なタイミングで必要な量だけ吐出するために使用することができる。

なお、供給口４０ａから供給された過剰分の試料を排出口２７ａから排出させる時に、ノズル穴３０から試料が漏れ出すのを抑制するために、排出口２７ａに接続された微小流路２５ａの流路抵抗は、ノズル穴３０ａに接続されたノズル形状流路１４ａの流路抵抗よりも小さいことが好ましい。あるいは、ノズル形状流路１４ａの表面にフッ素加工などを施すことにより、ノズル形状流路１４ａの表面に撥水性を持たせるようにしてもよい。
そして、圧電素子１０ａの動作を停止させた状態で供給口４０ａから試料Ｙを供給すると、微小流路１８ａ→共有流路区間２９ａ→微小流路２５ａという経路で試料Ｙが送液され、微小流路１８ａ、２５ａおよび共有流路区間２９ａに残留する過剰分の試料Ｙが排出口２７ａから排出される。

そして、微小流路１８ａ、２５ａおよび共有流路区間２９ａに残留する過剰分の試料Ｙが排出されると、供給口７ａから試料Ｘを供給するとともに、供給口４０ａから試料Ｙを供給しながら、圧電素子１０ａを動作させる。すると、試料Ｘは微小流路１２ａ→加圧室１ａ→微小流路１３ａ→ノズル形状流路１４ａという経路で送液されるとともに、試料Ｙは微小流路１８ａ→共用流路区間２９ａ→ノズル形状流路１４ａという経路で送液されながら、微小流路１８ａ、２５ａとノズル形状流路１４ａの共用流路区間２９ａにおいて試料Ｘ、Ｙが接触する。そして、共有流路区間２９ａにおいて、試料Ｙとの接触面を介して試料Ｘから試料Ｙに対して流れる力が与えられながら試料Ｘ、Ｙが混合され、混合された試料Ｘ、Ｙをノズル形状流路１４ａの毛細管力を利用してノズル穴３０ａに供給させながら、ノズル穴３０ａから微小の液滴状に押し出させることができる。

これにより、微小流路１８ａから分岐した図８の微小流路３４ｈを設けることなく、微小流路１８ａにて輸送される試料Ｙをノズル形状流路１４ａに送ることが可能となるとともに、ノズル形状流路１４ａと微小流路２５ａとの分岐点３８ａをノズル穴３０ａに近接して配置することが可能となる。このため、ノズル形状流路１４ａと微小流路１８ａの合流点１９ａとノズル穴３０ａとの間に残留する試料Ｙの量を減らしつつ、試料導入マイクロデバイス内に残留した試料Ｙを排出口２７ａから排出させることが可能となるとともに、微小流路１８ａからの分岐先に試料Ｙが残留したままになるのを防止することができ、供給口４０ａから試料Ｙが断続的に供給された場合においても、試料Ｘ、Ｙの混合試料を必要なタイミングで必要な量だけノズル穴３０ａから吐出させることが可能となるとともに、導入休止時に試料導入マイクロデバイスの内部に残留する試料Ｙの量を低減することができ、試料Ｙの検出精度を向上させることができる。

なお、試料Ｘ、Ｙの混合試料をノズル穴３０ａから吐出させる時に試料Ｘ、Ｙの混合試料が排出口２７ａから排出されるのを防止するために、排出口２７ａにバルブを設けるようにしてもよい。ここで、排出口２７ａにバルブを設ける方法としては、排出口２７ａに配管を介してバルブを接続するようにしてもよいし、排出口２７ａとバルブとを中継する配管を用いることなく、蓋板１６ａにバルブを搭載し、排出口２７ａにバルブを直結するようにしてもよい。

そして、過剰な試料Ｙを排出口２７ａから排出させる時にはバルブを開き、試料Ｘ、Ｙの混合試料をノズル穴３０ａから吐出させる時にはバルブを閉じることができる。これにより、供給口４０ａから供給された過剰分の試料Ｙを排出する排出口２７ａを設けた場合においても、試料Ｘ、Ｙの混合試料をノズル穴３０ａから吐出させる時に試料Ｘ、Ｙの混合試料が排出口２７ａから排出されるのを防止することができ、試料Ｘ、Ｙの混合試料の全量をノズル穴３０ａから吐出させることができる。また、排出口２７ａにバルブを直結することにより、デッドボリュームを低減することができる。

図２は、本発明の第２実施形態に係る試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図である。
図２において、試料導入マイクロデバイスには、蓋板１６ｂおよび基板１７ｂが設けられ、蓋板１６ｂは基板１７ｂ上に固定されている。
ここで、基板１７ｂには、加圧室１ｂが形成されるとともに、加圧室１ｂの入口側には、微小流路１２ｂが形成されている。また、加圧室１ｂの出口側には、微小流路１３ｂを介して毛細管効果を持つノズル形状流路１４ｂが形成され、ノズル形状流路１４ｂの先端にはノズル穴１５ｂが設けられ、ノズル穴１５ｂにおいて液体と気体との界面が形成されるように構成されている。

また、基板１７ｂには、合流点１９ｂにてノズル形状流路１４ｂと合流する微小流路１８ｂが形成されるとともに、分岐点３８ｂにてノズル形状流路１４ｂから分岐するＳ字状の微小流路２５ｂが形成され、微小流路１８ｂ、２５ｂの間には、微小流路１８ｂ、２５ｂとノズル形状流路１４ｂとの間で流路を共有する共有流路区間２９ｂが設けられている。そして、微小流路２５ｂの一部の区間には加圧室２１ｂが形成され、微小流路２５ｂにおいて、加圧室２１ｂの入口側にはデフューザ２２ｂが形成され、加圧室２１ｂの出口側にはデフューザ２３ｂが形成されている。

また、蓋板１６ｂには、微小流路１２ｂの一端に接続された供給口７ｂ、微小流路１８ｂの一端に接続された供給口４０ｂおよび微小流路２５ｂの先端に接続された排出口２７ｂが形成され、蓋板１６ｂ上には、蓋板１６ｂを振動板として駆動するための圧電素子１０ｂが加圧室１ｂ上に位置するように配置されるとともに、蓋板１６ｂを振動板として駆動するための圧電素子２４ｂが加圧室２１ｂ上に位置するように配置されている。

なお、供給口７ｂは、バッファや誘導体化試薬を試料導入マイクロデバイス内に導入するために使用することができ、供給口４０ｂは、分析対象の試料を試料導入マイクロデバイス内に導入するために使用することができる。また、排出口２７ｂは、供給口４０ｂから供給された過剰分の試料を排出するために使用することができ、ノズル穴３０ｂは、供給口７ｂ、４０ｂからそれぞれ供給された液体の混合試料を必要なタイミングで必要な量だけ吐出するために使用することができる。

そして、圧電素子１０ｂの動作を停止させるとともに、圧電素子２４ｂを動作させながら、供給口４０ｂから試料Ｙを供給すると、微小流路１８ｂ→共有流路区間２９ｂ→微小流路２５ｂ→デフューザ２２ｂ→加圧室２１ｂ→デフューザ２３ｂという経路で試料Ｙが送液され、微小流路１８ｂ、２５ｂおよび共有流路区間２９ｂに残留する過剰分の試料Ｙが排出口２７ｂから排出される。

そして、微小流路１８ｂ、２５ｂおよび共有流路区間２９ｂに残留する過剰分の試料Ｙが排出されると、供給口７ｂから試料Ｘを供給するとともに、供給口４０ｂから試料Ｙを供給しながら、圧電素子２４ｂの動作を停止させた上で、圧電素子１０ｂを動作させる。すると、試料Ｘは微小流路１２ｂ→加圧室１ｂ→微小流路１３ｂ→ノズル形状流路１４ｂという経路で送液されるとともに、試料Ｙは微小流路１８ｂ→共用流路区間２９ｂ→ノズル形状流路１４ｂという経路で送液されながら、微小流路１８ｂ、２５ｂとノズル形状流路１４ｂの共用流路区間２９ｂにおいて試料Ｘ、Ｙが接触する。そして、共有流路区間２９ｂにおいて、試料Ｙとの接触面を介して試料Ｘから試料Ｙに対して流れる力が与えられながら試料Ｘ、Ｙが混合され、混合された試料Ｘ、Ｙをノズル形状流路１４ｂの毛細管力を利用してノズル穴３０ｂに供給させながら、ノズル穴３０ｂから微小の液滴状に押し出させることができる。

これにより、圧電素子２４ｂを駆動することで、供給口４０ｂから供給される試料Ｙを強制的に排出口２７ｂに導くことが可能となるとともに、圧電素子１０ｂを駆動することで、試料Ｘ、Ｙの混合試料を強制的にノズル穴３０ｂに導くことが可能となる。このため、供給口４０ｂから供給される液体Ｙがノズル穴３０ｂから漏れ出すのを防止しつつ、過剰分の試料Ｙを排出口２７ｂから排出することが可能となり、供給口４０ｂから試料Ｙが断続的に供給された場合においても、試料Ｘ、Ｙの混合試料を必要なタイミングで必要な量だけノズル穴３０ｂから吐出させることが可能となる。

図３は、本発明の第３実施形態に係る試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図である。
図３において、試料導入マイクロデバイスには、蓋板１６ｃおよび基板１７ｃが設けられ、蓋板１６ｃは基板１７ｃ上に固定されている。
ここで、基板１７ｃには、加圧室１ｃが形成されるとともに、加圧室１ｃの入口側には、微小流路１２ｃが形成されている。また、加圧室１ｃの出口側には、微小流路１３ｃを介して毛細管効果を持つノズル形状流路１４ｃが形成され、ノズル形状流路１４ｃの先端にはノズル穴１５ｃが設けられ、ノズル穴１５ｃにおいて液体と気体との界面が形成されるように構成されている。

また、基板１７ｃには、合流点１９ｃにてノズル形状流路１４ｃと合流する微小流路１８ｃが形成されるとともに、分岐点３８ｃにてノズル形状流路１４ｃから分岐するＳ字状の微小流路２５ｃが形成され、微小流路１８ｃ、２５ｃの間には、微小流路１８ｃ、２５ｃとノズル形状流路１４ｃとの間で流路を共有する共有流路区間２９ｃが設けられている。そして、微小流路２５ｃの一部の区間には加圧室２１ｃが形成されるとともに、微小流路２５ｃには毛細管効果を持つノズル形状流路４３ｃが接続されている。そして、ノズル形状流路４３ｃの先端にはノズル穴４１ｃが設けられ、ノズル穴４１ｃにおいて液体と気体との界面が形成されるように構成されている。

また、蓋板１６ｃには、微小流路１２ｃの一端に接続された供給口７ｃおよび微小流路１８ｃの一端に接続された供給口４０ｃが形成され、蓋板１６ｃ上には、蓋板１６ｃを振動板として駆動するための圧電素子１０ｃが加圧室１ｃ上に位置するように配置されるとともに、蓋板１６ｃを振動板として駆動するための圧電素子２４ｃが加圧室２１ｃ上に位置するように配置されている。

なお、供給口７ｃは、バッファや誘導体化試薬を試料導入マイクロデバイス内に導入するために使用することができ、供給口４０ｃは、分析対象の試料を試料導入マイクロデバイス内に導入するために使用することができる。また、ノズル穴４１ｃは、供給口４０ｃから供給された過剰分の試料を排出するために使用することができ、ノズル穴３０ｃは、供給口７ｃ、４０ｃからそれぞれ供給された液体の混合試料を必要なタイミングで必要な量だけ吐出するために使用することができる。

そして、圧電素子１０ｃの動作を停止させるとともに、圧電素子２４ｃを動作させながら、供給口４０ｃから試料Ｙを供給すると、微小流路１８ｃ→共有流路区間２９ｃ→微小流路２５ｃ→加圧室２１ｃ→ノズル形状流路４３ｃという経路で試料Ｙが送液され、微小流路１８ｃ、２５ｃおよび共有流路区間２９ｃに残留する過剰分の試料Ｙがノズル形状流路４３ｃの毛細管力を利用してノズル穴４１ｃに供給されながら、ノズル穴４１ｃから排出される。

そして、微小流路１８ｃ、２５ｃおよび共有流路区間２９ｃに残留する過剰分の試料Ｙが排出されると、供給口７ｃから試料Ｘを供給するとともに、供給口４０ｃから試料Ｙを供給しながら、圧電素子２４ｃの動作を停止させた上で、圧電素子１０ｃを動作させる。すると、試料Ｘは微小流路１２ｃ→加圧室１ｃ→微小流路１３ｃ→ノズル形状流路１４ｃという経路で送液されるとともに、試料Ｙは微小流路１８ｃ→共用流路区間２９ｃ→ノズル形状流路１４ｃという経路で送液されながら、微小流路１８ｃ、２５ｃとノズル形状流路１４ｃの共用流路区間２９ｃにおいて試料Ｘ、Ｙが接触する。そして、共有流路区間２９ｃにおいて、試料Ｙとの接触面を介して試料Ｘから試料Ｙに対して流れる力が与えられながら試料Ｘ、Ｙが混合され、混合された試料Ｘ、Ｙをノズル形状流路１４ｃの毛細管力を利用してノズル穴３０ｃに供給させながら、ノズル穴３０ｃから微小の液滴状に押し出させることができる。

これにより、圧電素子２４ｃを駆動することで、供給口４０ｃから供給される試料Ｙを強制的にノズル穴４１ｃに導くことが可能となるとともに、圧電素子１０ｃを駆動することで、試料Ｘ、Ｙの混合試料を強制的にノズル穴３０ｃに導くことが可能となる。このため、供給口４０ｃから供給される液体Ｙがノズル穴３０ｃから漏れ出すのを防止しつつ、過剰分の試料Ｙをノズル穴４１ｃから排出することが可能となり、供給口４０ｃから試料Ｙが断続的に供給された場合においても、試料Ｘ、Ｙの混合試料を必要なタイミングで必要な量だけノズル穴３０ｃから吐出させることが可能となる。

図４は、本発明の第４実施形態に係る試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図である。
図４において、試料導入マイクロデバイスには、蓋板１６ｄおよび基板１７ｄが設けられ、蓋板１６ｄは基板１７ｄ上に固定されている。
ここで、基板１７ｄには、加圧室１ｄが形成されるとともに、加圧室１ｄの入口側には、微小流路１２ｄが形成されている。また、加圧室１ｄの出口側には、微小流路１３ｄを介して毛細管効果を持つノズル形状流路１４ｄが形成され、ノズル形状流路１４ｄの先端にはノズル穴１５ｄが設けられ、ノズル穴１５ｄにおいて液体と気体との界面が形成されるように構成されている。

また、基板１７ｄには、加圧室４６ｄが形成されるとともに、加圧室４６ｄの入口側には、微小流路４５ｄが形成されている。また、加圧室４６ｄの出口側には、微小流路４７ｄを介して毛細管効果を持つノズル形状流路４８ｄが形成され、ノズル形状流路４８ｄの先端にはノズル穴４１ｄが設けられ、ノズル穴４１ｄにおいて液体と気体との界面が形成されるように構成されている。
また、基板１７ｄには、合流点１９ｄにてノズル形状流路１４ｄと合流する微小流路１８ｄが形成されるとともに、分岐点３８ｄにてノズル形状流路１４ｄから分岐し、合流点５０ｄにてノズル形状流路４８ｄと合流する微小流路４９ｄが形成され、微小流路１８ｄ、４９ｄの間には、微小流路１８ｄ、４９ｄとノズル形状流路１４ｄとの間で流路を共有する共有流路区間２９ｄが設けられている。

また、蓋板１６ｄには、微小流路１２ｄの一端に接続された供給口７ｄ、微小流路１８ｄの一端に接続された供給口４０ｄおよび微小流路４５ｄの一端に接続された供給口４４ｄが形成され、蓋板１６ｄ上には、蓋板１６ｄを振動板として駆動するための圧電素子１０ｄが加圧室１ｄ上に位置するように配置されるとともに、蓋板１６ｄを振動板として駆動するための圧電素子５１ｄが加圧室４６ｄ上に位置するように配置されている。

なお、供給口７ｄは、バッファや誘導体化試薬を試料導入マイクロデバイス内に導入するために使用することができ、供給口４０ｄは、分析対象の試料を試料導入マイクロデバイス内に導入するために使用することができ、供給口４４ｄは、供給口４０ｄから導入された過剰分の試料を排出させるための呼び水となる液体を導入するために使用することができる。また、ノズル穴４１ｄは、供給口４０ｄから供給された過剰分の試料を排出するために使用することができ、ノズル穴３０ｄは、供給口７ｄ、４０ｄからそれぞれ供給された液体の混合試料を必要なタイミングで必要な量だけ吐出するために使用することができる。

そして、圧電素子１０ｄの動作を停止させるとともに、圧電素子３５ｄを動作させながら、供給口４０ｄから試料Ｙを供給しつつ、供給口４４ｄから呼び水となる液体を供給すると、微小流路１８ｄ→共有流路区間２９ｄ→微小流路４９ｄ→ノズル形状流路４８ｄという経路で試料Ｙが送液されるとともに、微小流路４５ｄ→加圧室４６ｄ→微小流路４７ｄ→ノズル形状流路４８ｄという経路で呼び水となる液体が送液され、微小流路１８ｄ、４９ｄおよび共有流路区間２９ｄに残留する過剰分の試料Ｙがノズル形状流路４８ｄの毛細管力を利用してノズル穴４１ｄに供給されながら、ノズル穴４１ｄから排出される。

そして、微小流路１８ｄ、４９ｄおよび共有流路区間２９ｄに残留する過剰分の試料Ｙが排出されると、供給口７ｄから試料Ｘを供給するとともに、供給口４０ｄから試料Ｙを供給しながら、圧電素子５１ｄの動作を停止させた上で、圧電素子１０ｄを動作させる。すると、試料Ｘは微小流路１２ｄ→加圧室１ｄ→微小流路１３ｄ→ノズル形状流路１４ｄという経路で送液されるとともに、試料Ｙは微小流路１８ｄ→共用流路区間２９ｄ→ノズル形状流路１４ｄという経路で送液されながら、微小流路１８ｄ、４９ｄとノズル形状流路１４ｄの共用流路区間２９ｄにおいて試料Ｘ、Ｙが接触する。そして、共有流路区間２９ｄにおいて、試料Ｙとの接触面を介して試料Ｘから試料Ｙに対して流れる力が与えられながら試料Ｘ、Ｙが混合され、混合された試料Ｘ、Ｙをノズル形状流路１４ｄの毛細管力を利用してノズル穴３０ｄに供給させながら、ノズル穴３０ｄから微小の液滴状に押し出させることができる。

これにより、圧電素子５１ｄを駆動することで、供給口４０ｄから供給される試料Ｙを強制的にノズル穴４１ｄに導くことが可能となるとともに、加圧室４６ｄの配置位置をノズル形状流路１４ｄと微小流路４９ｄの分岐点３８ｄの下流とする制約をなくすことができる。このため、供給口４０ｄから供給される試料Ｙがノズル穴３０ｄから漏れ出すのを防止しつつ、過剰分の試料Ｙをノズル穴４１ｄから排出することが可能となり、供給口４０ｄから試料Ｙが断続的に供給された場合においても、試料Ｘ、Ｙの混合試料を必要なタイミングで必要な量だけノズル穴３０ｃから吐出させることが可能となるとともに、加圧室４６ｄの配置位置の選択範囲を広げることが可能となり、多様な形状のデバイス設計に対応することができる。

図１（ａ）および図１（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る試料導入マイクロデバイスを層方向に分解して示す平面図、図１（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係る試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図である。 本発明の第２実施形態に係る試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図である。 本発明の第３実施形態に係る試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図である。 本発明の第４実施形態に係る試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図である。 図５（ａ）は、従来のデフューザ型のマイクロポンプの形態を持つ試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）の試料導入マイクロデバイスをＡ−Ａ´線で切断して示す断面図である。 図６（ａ）は、従来のディスペンサ型の形態を持つ試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）の試料導入マイクロデバイスをＢ−Ｂ´線で切断して示す断面図である。 従来の試料導入マイクロデバイスのその他の概略構成の一例を示す平面図である。 従来の試料導入マイクロデバイスのさらにその他の概略構成の一例を示す平面図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ、２１ｂ、１ｃ、２１ｃ、１ｄ、４６ｄ 加圧室
７ａ、４０ａ、７ｂ、４０ｂ、７ｃ、４０ｃ、７ｄ、４０ｄ、４４ｄ 供給口
１０ａ、１０ｂ、２４ｂ、１０ｃ、２４ｃ、１０ｄ、５１ｄ 圧電素子
１２ａ、１３ａ、１８ａ、２５ａ、１２ｂ、１３ｂ、１８ｂ、２５ｂ、１２ｃ、１３ｃ、１８ｃ、２５ｃ、１２ｄ、１３ｄ、１８ｄ、４５ｄ、４７ｄ、４９ｄ 微小流路
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、４３ｃ、１４ｄ、４８ｄ ノズル形状流路
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ 蓋板
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ 基板
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、５０ｄ 合流点
３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄ 分岐点
２７ａ、２７ｂ 流出口
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、４１ｃ、３０ｄ、４１ｄ ノズル穴
２２ｂ、２３ｂ デフューザ

Claims (3)

1. 基板（１７ｂ）と、該基板の表面を覆う蓋板（１６ｂ）と、該蓋板の上に設置された第１の圧電素子（１０ｂ）とを具備し、
   前記第１の圧電素子で発生した振動力により液体を加圧する第１の加圧室（１ｂ）と、該第１の加圧室に液体を導入する第１の微小流路（１２ｂ）と、前記第１の加圧室に導入された液体を排出する第２の微小流路（１３ｂ）と、該第２の微小流路を流通した液体を前記基板の外部に吐出する第１のノズル形状流路（１４ｂ）と、前記第２の微小流路と前記第１のノズル形状流路との間に共有流路区間（２９ｂ）を形成する第３の微小流路と、前記第２の微小流路を流通した液体と前記共有流路区間で混合し合う液体を前記第３の微小流路に導入する第４の微小流路（１８ｂ）と、前記第３の微小流路を流通した液体の流れを前記第１のノズル形状流路に流入する流れと前記第１のノズル形状流路に流入しない流れとに分岐する第５の微小流路（２５ｂ）が前記基板の表面に形成されているとともに、前記第１の微小流路に液体を供給する第１の供給口（７ｂ）と、前記第４の微小流路に液体を供給する第２の供給口（４０ｂ）が前記蓋板に形成された試料導入マイクロデバイスであって、
   前記基板の表面に第２の加圧室（２１ｂ）と、前記第５の微小流路に流入した液体を前記第２の加圧室に導入する第６の微小流路（２２ｂ）と、前記第２の加圧室に導入された液体を排出する第７の微小流路（２３ｂ）とを形成するとともに、前記第７の微小流路に流入した液体を排出する排出口（２７ｂ）を前記蓋板に形成し、かつ前記第２の加圧室に流入した液体を振動力により加圧する第２の圧電素子（２４ｂ）を前記蓋板の上に設置したことを特徴とする試料導入マイクロデバイス。
2. 基板（１７ｃ）と、該基板の表面を覆う蓋板（１６ｃ）と、該蓋板の上に設置された第１の圧電素子（１０ｃ）とを具備し、
   前記第１の圧電素子で発生した振動力により液体を加圧する第１の加圧室（１ｃ）と、該第１の加圧室に液体を導入する第１の微小流路（１２ｃ）と、前記第１の加圧室に導入された液体を排出する第２の微小流路（１３ｃ）と、該第２の微小流路を流通した液体を前記基板の外部に吐出する第１のノズル形状流路（１４ｃ）と、前記第２の微小流路と前記第１のノズル形状流路との間に共有流路区間（２９ｃ）を形成する第３の微小流路と、前記第２の微小流路を流通した液体と前記共有流路区間で混合し合う液体を前記第３の微小流路に導入する第４の微小流路（１８ｃ）と、前記第３の微小流路を流通した液体の流れを前記第１のノズル形状流路に流入する流れと前記第１のノズル形状流路に流入しない流れとに分岐する第５の微小流路（２５ｃ）が前記基板の表面に形成されているとともに、前記第１の微小流路に液体を供給する第１の供給口（７ｃ）と、前記第４の微小流路に液体を供給する第２の供給口（４０ｃ）が前記蓋板に形成された試料導入マイクロデバイスであって、
   前記基板の表面に第２の加圧室（２１ｃ）と、前記第５の微小流路に流入した液体を前記第２の加圧室に導入する第６の微小流路と、前記第２の加圧室に導入された液体を前記基板の外部に吐出する第２のノズル形状流路（４３ｃ）とを形成するとともに、前記第２の加圧室に流入した液体を振動力により加圧する第２の圧電素子（２４ｃ）を前記蓋板の上に設置したことを特徴とする試料導入マイクロデバイス。
3. 基板（１７ｄ）と、該基板の表面を覆う蓋板（１６ｄ）と、該蓋板の上に設置された第１の圧電素子（１０ｄ）とを具備し、
   前記第１の圧電素子で発生した振動力により液体を加圧する第１の加圧室（１ｄ）と、該第１の加圧室に液体を導入する第１の微小流路（１２ｄ）と、前記第１の加圧室に導入された液体を排出する第２の微小流路（１３ｄ）と、該第２の微小流路を流通した液体を前記基板の外部に吐出する第１のノズル形状流路（１４ｄ）と、前記第２の微小流路と前記第１のノズル形状流路との間に共有流路区間（２９ｄ）を形成する第３の微小流路と、前記第２の微小流路を流通した液体と前記共有流路区間で混合し合う液体を前記第３の微小流路に導入する第４の微小流路（１８ｄ）と、前記第３の微小流路を流通した液体の流れを前記第１のノズル形状流路に流入する流れと前記第１のノズル形状流路に流入しない流れとに分岐する第５の微小流路（４９ｄ）が前記基板の表面に形成されているとともに、前記第１の微小流路に液体を供給する第１の供給口（７ｄ）と、前記第４の微小流路に液体を供給する第２の供給口（４０ｄ）が前記蓋板に形成された試料導入マイクロデバイスであって、
   前記基板の表面に第２の加圧室（４６ｄ）と、該第２の加圧室に液体を導入する第６の微小流路（４５ｄ）と、前記第２の加圧室に導入された液体を第５の微小流路に流入した液体と共に前記基板の外部に吐出する第２のノズル形状流路（４８ｄ）とを形成するとともに、前記第６の微小流路に液体を供給する第３の供給口（４４ｄ）を前記蓋板に形成し、かつ前記第２の加圧室に流入した液体を振動力により加圧する第２の圧電素子（５１ｄ）を前記蓋板の上に設置したことを特徴とする試料導入マイクロデバイス。

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