JP4984849B2 - 成分分離デバイスと、この成分分離デバイスを用いた化学分析デバイス - Google Patents

Description

本発明はたとえば血液、乳液などを液体成分と固形成分とに分離するための小型成分分離デバイスと、これを用いて検体の化学分析を行う化学分析デバイスに関するものである。

次世代の分析技術として注目されているマイクロトータルアナリシスシステム（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ）とは、例えば血液などの液体成分と固形成分の混合物である検体を導入し、成分分離デバイスへ輸送してそれぞれの成分に分離し、これらの成分と試薬とを反応させ、その反応情報を読み取り分析する工程を一体化したものなど、μｍスケールの小型化学分析デバイスのことである。

図１８の断面図に示すように、従来の成分分離デバイス１は、基板２と、この基板２の上方を覆う封止部３と、基板２の側面に形成された振動装置４とを備えている。

また基板２は、検体を輸送する流路溝５を有している。

そして振動装置４は、圧電体素子で形成され、所定の周波数の音響波を発生させている。そして流路溝５内に立てた音響定在波の節に固形成分を凝集させて種々の成分を分離している。

なお、音響波を利用した分離方法の実施例としては非特許文献１および非特許文献２などが知られている。
Ｃａｒｌ Ｓｉｖｅｒｓｓｏｎ、Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ ２００４、ｐｐ３３０−３３２、ｖｏｌ２ Ｈｏｌｄｅｎ Ｌｉ、Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ ２００４、ｐｐ１２−１４、ｖｏｌ１

上記従来の成分分離デバイス１では、振動装置４の駆動電圧を大きくする必要があった。

それは、振動装置４からの振動は、基板２全体や封止部３へ拡散して減衰し、流路溝５で発生する定在波が弱くなり、成分の分離精度が低下するためであった。

そこで本発明は、振動装置４の駆動電圧が小さくても、定在波の強度を増大させることを目的とする。

そしてこの目的を達成するために本発明の成分分離デバイスは、流路溝の外側壁に形成された突起部を備え、この突起部は、流路溝の深さ方向のたわみ振動を与える振動装置を有するものとした。

これにより本発明の成分分離デバイスは、振動装置の駆動電圧が小さくても、定在波の強度を増大させることが出来る。

それは、突起部のたわみ振動は、てこの原理により振動が増幅され、突起部の形成されている流路溝の外側壁で大きな応力を発生させるためである。

そしてその結果、小さな駆動電圧でも流路溝内の定在波の強度が増し、成分分離精度を向上させることが出来るのである。

（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６について説明する。

図１に示す本実施の形態の成分分離デバイス６は、上面で開口する流路溝７が形成された基板８と、流路溝７の開口部を覆うように基板８の上方に設けられた封止部９と、流路溝７の外側壁７ａに形成された突起部１０と、この突起部１０上面に形成された振動装置１１とを備えている。

この基板８と封止部９とは、接着剤で接合されている。

本実施形態では、基板８はシリコン、封止部９はガラスを用いた。なお、封止部９としては、ガラスの他プラスチックやシリコンを用いてもよい。

また、図２に示すように、本実施形態における振動装置１１は、突起部（図１の１０）に接する順に、チタンおよび白金で形成した第一電極１２、チタン酸ジルコン酸鉛で形成した圧電体１３、チタンおよび金で形成した第二電極１４の積層構造で構成されており、突起部１０を流路溝７の深さ方向にたわみ振動させるものである。なお、これらの材料を用いた振動装置は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する効率が高く、駆動電圧が小さくても大きな変位を実現することができる。

また、図３の成分分離デバイス６の断面図に示すように、流路溝７は液体成分１５および固形成分１６の混合物を収容あるいは流すことができるよう、所定の幅と深さを有している。この流路溝７の幅は流路溝７内に所望の定在波（図４の１７）を形成できるように設計する。

この流路溝７の設計方法について、図４の流路溝７の摸式断面図を用いて以下に説明する。

たとえば、流路溝７の幅をＷとし、流路溝７に導入する液体成分１５および固形成分１６の混合物のうち、前記液体成分１５における音速をｖとすると
ｆ＝（ｎ／２）×ｖ／Ｗ （ｎは自然数）
を満たす周波数ｆの音響波が流路溝７に照射されると、流路溝７内に定在波１７が発生するのである。

また、図３に示すように、本実施形態では、突起部１０の形状を、周波数ｆで一次の共振周波数となるように設定した。

また、基板８と突起部１０とを、同一の基板で形成している。これにより、突起部１０のたわみ振動によって基板８と突起部１０との接続部分に負荷がかかっても強度を強く保つことができる。なお図３の矢印１９ａはたわみ振動を示している。

次に、本実施形態における成分分離デバイス６の動作方法を説明する。

まず、図３に示すように、液体成分１５と固形成分１６の混合物を流路溝７に導入する。そして、振動装置１１に周波数ｆの振動を与える駆動電圧を印加すると、この駆動電圧に応じて、突起部１０は図３の点線形状に変化するようにたわみ振動を起こす。ここで、突起部１０は基板８に比べて幅が細い形状であるため、容易に形状変化を起こし振動する。また、流路溝７の外側壁７ａと突起部１０とは連結されているので、突起部１０のたわみ振動により生じた振動は、音響波として流路溝７の外側壁７ａに伝播する。なお、図３の矢印１９ｂはこの音響波振動を示している。また本実施形態では突起部１０と外側壁７ａとが同一基板で形成されているため、音響波の伝播抵抗が小さく、効率よく伝播することができる。そしてこの音響波は、図４に示すように、流路溝７内に定在波１７を発生させる。この定在波１７により、固形成分１６は定在波１７の節１８に向かう方向へ力を受け、節１８に固形成分１６を凝集させることができる。

そして図５の流路溝７の上面図に示すように、流路溝７内部において混合物を液体成分１５と固形成分１６とに分離させ、液体成分１５を主成分とする流れ２０ａと、固形成分１６の濃度の高い流れ２０ｂとを流路溝７の分岐などで分けると、液体成分１５と固形成分１６をそれぞれ抽出することができる。

また、突起部１０は周波数ｆで１次の共振周波数となるように形状を設定されているので、共振周波数となるように形状を設定していない場合に比べ、効率よく変位の大きいたわみ振動を起こすことができる。したがって、より強度の強い定在波１７を発生させることができ、小型の成分分離デバイス６を実現することができる。

本実施形態における効果を以下に説明する。

本実施形態の成分分離デバイス６は、振動装置１１の駆動電圧が小さくても、定在波の強度を増大させることが出来る。

すなわち、図１８に示すように、従来の成分分離デバイス１は基板２の側面に直接振動装置４が貼り付けられていたのに対し、本実施形態では、図３に示すように、流路溝７の外側壁７ａに突起部１０を備え、この突起部１０に振動装置１１を設けている。

したがって本実施形態では、突起部１０のたわみ振動が、音響波として突起部１０の形成されている流路溝７の外側壁７ａへと集中して伝搬する。この時、てこの原理により振動は増幅され、てこの支点兼作用点である流路溝７外側壁７ａに、大きな応力を発生させることができる。

そしてその結果、駆動電圧が小さい場合やその他振動装置１１が小さい場合でも流路溝７内の定在波の強度が増し、成分分離精度を向上させることが出来るのである。なお、振動は基板８全体や封止部９へと伝搬し、ある程度は減衰してしまうが、本実施形態により定在波の強度を増大しておくことで分離精度の低下を抑制することができる。

また突起部１０の幅、配置位置を変えることによって、流路溝７の所望の位置に定在波（図４の１７）を発生させることが出来、成分分離精度の向上に寄与する。

また、本実施形態の振動装置１１は、密着力に優れた積層構造のため、連続する変位に対しても耐久性を高く保つことができる。また、本実施形態の振動装置１１は、前述の材料を用いることにより、突起部１０上にスパッタリング後ドライエッチング加工するなど高精度なパターン成形が可能で、流路溝７の定在波１７を発生させたい部分に対して、高精度な位置に振動装置１１を形成することができる。

なお、本実施の形態では、振動装置１１を突起部１０の上面に形成したが、図６のように下面に形成してもよい。下面に形成する場合は、振動装置１１の配線が流路溝７や封止部９と干渉することなく自由に行うことができる。

（実施の形態２）
本実施の形態２と実施の形態１との違いは、図７に示すように、突起部１０の上面に同一形状の２つの振動装置１１ａ、１１ｂが形成されており、また図８に示すように、突起部１０の形状が周波数ｆで２次の共振周波数となるように設計されている点である。

これにより本実施形態では、流路溝７で発生させる定在波１７の強度を増大させることができ、成分分離デバイス６の分離精度を向上させることが出来る。

すなわち、周波数ｆが非常に高周波である場合、突起部１０のたわみ振動の１次共振を利用しようとすると、小さな振動装置１１を一つしか配置できず、弱い定在波しか発生させることができない場合がある。また、大きな振動装置を一つ配置して高次共振を利用しようとすると、圧電体が変形しくにいため、効率よく共振を起こすことができない。

しかし本実施形態では、突起部１０に複数の振動装置１１を配置したことによって、突起部１０に効率よく高次の共振を起こすことが出来、十分な強度の定在波１７を発生させることができるのである。

例えば、本実施の形態では、図８に示すように、周波数ｆの位相が１８０度異なる駆動電圧を、振動装置１１ａと１１ｂとに印加すると、２次の共振であるたわみ振動１９ａを効率的に発生させることができる。そのため、周波数ｆが非常に高周波であっても、実施の形態１に示したように液体成分１５と固形成分１６の混合物を液体成分１５と固形成分１６に効率的に分離、抽出することができる。また、振動装置１１の設置数を変えることで、定在波１７の強度を広範囲で調整することができる。

（実施の形態３）
本実施の形態３と実施の形態１との違いは、図９に示すように、流路溝７の片側の外側壁７ａに同一形状の複数個の突起部１０ａ〜１０ｃを形成し、それぞれの上面に振動装置１１ａ〜１１ｃを配置した点である。

これにより、広い範囲で定在波１７を発生させることができ、定在波音圧から受ける力が小さく、凝集の困難な小さい固形成分１６であっても十分に凝集させることができる。

さらに、流路溝７と平行な辺を長くした突起部１０と比較して、副次振動を抑制することができ、より効率的な成分分離が可能となる。

なお、本実施形態では、流路溝７の片側の外側壁７ａに突起部１０を形成したが、図１０に示すように、流路溝７の両側の外側壁７ａ、７ｂに突起部１０を形成してもよい。この場合、流路溝７の両側から音響波を伝播することができるので、より強度の強い定在波１７を発生させることができる。

（実施の形態４）
本実施の形態４と実施の形態１との違いは、図１１に示すように、流路溝７の外側壁７ａに、形状の異なる二つの突起部１０ｄ、１０ｅを設けた点である。

本実施形態では、第１の突起部１０ｄの形状は、流路溝７の幅をＷとし、この流路溝７に導入する液体成分（図１２の１５）および固形成分（図１２の１６ａ、１６ｂ）の混合物のうち、液体成分１５における音速をｖとすると
ｆ₁＝ｎ×ｖ／Ｗ （ｎは自然数）
を満たす周波数ｆ₁が、たわみ振動の共振周波数となるように設定されている。

また第２の突起部１０ｅの形状は、
ｆ₂＝（１／２）×ｖ／Ｗ もしくは
ｆ₂＝（１／２＋ｎ）×ｖ／Ｗ （ｎは自然数）
を満たす周波数ｆ₂が、たわみ振動の共振周波数となるように設定されている。そしてこのような突起部１０ｄ、１０ｅの上面に振動装置１１ｄ、１１ｅが形成されている。

上記構成では、図１２に示すように節１８の数が異なる定在波が発生し、性質の異なる固形成分１６を分離することができる。

以下に、本実施形態における成分分離デバイス６を用いた分離方法について説明する。

まず、図１２の流路溝７の上面図に示すように、液体成分１５と小さい固形成分１６ａと大きい固形成分１６ｂの混合物を流路溝７に導入する。

そして、振動装置１１ｄに、例えば
ｆ₃＝ｖ／Ｗ
を満たす周波数ｆ₃の駆動電圧を印加すると、振動装置１１ｄに対向する流路溝７の領域には、２つの定在波１７の節１８が発生する。この場合、駆動電圧を上げることによって、小さい固形成分１６ａおよび大きい固形成分１６ｂのいずれも十分に凝集することができる。

一方で、振動装置１１ｅには、例えば
ｆ₄＝（１／２）×ｖ／Ｗ
を満たす周波数ｆ₄の駆動電圧を印加すると、振動装置１１ｅに対向する流路溝７の領域に１つの定在波１７の節１８が発生する。このとき、駆動電圧を下げていくと、大きい固形成分１６ｂを優先して凝集させることができる。

なお、固形成分１６ａ、１６ｂを球形の微粒子とすると、定在波１７から受ける力の大きさは粒子径の３乗、つまり体積に比例することが知られている。そのため、定在波１７の発生する領域、強度を制御することで、固形成分１６ａ、１６ｂの大きさの違いにより定在波１７の節１８への凝集密度を変えることが可能である。

このようにして本実施形態では、小さな固形成分１６ａの濃度の高い流れ２０ａと、大きな固形成分１６ｂの濃度の高い流れ２０ｂに分離することができる。さらに図１３に示すように、これらの流れ２０ａ、２０ｂを流路溝７の分岐などにより分けることで、小さい固形成分１６ａと大きい固形成分１６ｂとを抽出することができる。

なお、図１４に示すように、突起部１０ａ、１０ｂは流路溝７の両側の外側壁７ａ、７ｂに形成してもよい。このような構成では、突起部１０ａと突起部１０ｂとを同時に駆動させた場合でも、振動源がそれぞれ対向する外壁に形成されているため、互いの周波数が干渉するのを低減することができ、高精度に定在波１７を発生させることができる。

（実施の形態５）
図１５に示すように、本実施形態と実施の形態２との違いは、流路溝７が複数形成されており、対面する流路溝７の外側壁７ａに形成されたそれぞれの突起部１０は、互いに隣接するように形成されている点である。

本実施形態では、突起部１０に振動装置１１を配置しているため、振動装置１１が隣接する場合も、振動装置１１は空間を隔てて隣接しており、互いの音響波の干渉を抑制することができる。また、複数の振動装置１１を近接して配置することができるため、デバイス内のスペースを有効に活用することができる。

なお、本実施形態は、流路溝７が複数形成されている場合だけでなく、流路溝７が折り曲がり構造をしている場合や、分岐構造をしている場合にも、流路溝７が対面することがあるため、応用が可能である。これらの場合も、上記と同様に隣接する流路溝７の側壁に配置されたそれぞれの突起部１０を互いに隣接させることができ、省スペースで音響波の干渉を抑制することができる。

（実施の形態６）
図１６に示すように、本実施形態と実施の形態１との違いは、突起部１０の厚みを基板８よりも小さくなるように形成したものであり、流路溝７の深さとほぼ同一になるように形成した点である。

これにより、たわみ振動の変位が大きくなり、流路溝７で発生させる定在波１７の強度を大きくすることが出来る。

また、流路溝７の深さと突起部１０の厚みとを略同一にしたことにより、振動を流路溝７へ集中して伝搬することができ、流路溝７で発生させる定在波の強度をさらに大きくすることが出来る。

（実施の形態７）
図１７は本実施形態の血液検査用の化学分析デバイス２１であり、前述の実施の形態１で示した成分分離デバイス６を搭載している。

この化学分析デバイス２１は、検体導入口２２と、この検体導入口２２に接続された輸送部２３（ポンプ）と、この輸送部２３と接続された成分分離デバイス６と、この成分分離デバイス６に接続された反応部２４と、この反応部２４に接続された分析部２５とを備えている。

採血した血液を検体導入口２２から注入すると、血液は輸送部２３を経て前述の成分分離デバイス６へと運ばれ、流路溝（図１の７）を通って各血液成分が分離される。そしてそれぞれの成分が各反応部２４に到達すると、この反応部２４に試薬が注入され、化学反応が開始される。そしてこの化学反応の情報が分析部２５で読み取られるものである。

本実施形態の化学分析デバイス２１は、２０〜３０ｍｍ四方のシリコン基板２６をベースに形成したものである。

この化学分析デバイス２１は、成分分離デバイス６の突起部１０の周辺に空孔２７が形成されている。したがって、突起部１０上に配置した振動装置（図示せず）の振動が周囲に拡散するのを抑制することができ、流路溝７内部に発生させる定在波の強度を向上させることが出来る。

また、突起部１０周辺に空孔２７が形成されることによってデバイスの軽量化に寄与する。

なお、本実施形態の化学分析デバイス２１に搭載する成分分離デバイス６としては、実施の形態２から６に記載したものを用いても同様の効果を有する。更に、実施の形態６の成分分離デバイス６を搭載した場合は、突起部１０の上下に空孔２７が形成されるため、デバイス全体の軽量化と音響波の減衰の低減に寄与する。

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。

本発明の成分分離デバイスの分解斜視図 本発明の振動装置の断面摸式図 本発明の成分分離デバイスの動作を示す摸式断面図 本発明の流路溝の摸式断面図 本発明の流路溝の摸式上面図 本発明の成分分離デバイスの分解斜視図 本発明の成分分離デバイスの分解斜視図 本発明の成分分離デバイスの動作を示す摸式断面図 本発明の成分分離デバイスの分解斜視図 本発明の成分分離デバイスの分解斜視図 本発明の成分分離デバイスの分解斜視図 本発明の成分分離デバイスの摸式上面図 本発明の成分分離デバイスの摸式上面図 本発明の成分分離デバイスの分解斜視図 本発明の基板および突起部の斜視図 本発明の成分分離デバイスの動作を示す摸式断面図 本発明の化学分析デバイスの斜視図 従来の成分分離デバイスの断面図

符号の説明

６ 成分分離デバイス
７ 流路溝
７ａ、７ｂ 外側壁
８ 基板
９ 封止部
１０ 突起部
１０ａ〜１０ｅ 突起部
１１ 振動装置
１１ａ〜１１ｅ 振動装置
１２ 第一電極
１３ 圧電体
１４ 第二電極
１５ 液体成分
１６ 固形成分
１６ａ、１６ｂ 固形成分
１７ 定在波
１８ 節
１９ａ たわみ振動を示す矢印
１９ｂ 音響波振動を示す矢印
２０ａ、２０ｂ 流れ
２１ 化学分析デバイス
２２ 検体導入口
２３ 輸送部
２４ 反応部
２５ 分析部
２６ シリコン基板
２７ 空孔

Claims (9)

1. 上面に流路溝が形成された基板と、
   前記流路溝の上面開口部を覆うように前記基板の上方に設けられた封止部と、
   前記流路溝の外側壁に形成された突起部とを備え、
   この突起部は、前記流路溝の深さ方向のたわみ振動を与える振動装置を有し、
   この突起部は複数個形成されており、
   これらの突起部は、
   前記流路溝において節の数が異なる定在波が発生するように、
   少なくとも第１の共振周波数を持つ形状をした第１の突起部と、
   前記第１の共振周波数とは異なる周波数の第２の共振周波数を持つ形状をした第２の突起部からなり、
   これらの突起部は、
   少なくとも前記流路溝の一方の外側壁に形成されている
   成分分離デバイス。
2. 前記突起部は、前記基板と同一基板で形成されている請求項１に記載の成分分離デバイス。
3. 前記振動装置は、
   第１の電極と、
   この第１の電極上に設けられた圧電体と、
   この圧電体上に設けられた第２の電極とからなる請求項１または２に記載の成分分離デバイス。
4. 前記振動装置は、前記突起部上に複数個形成されている請求項１から３のいずれか一つに記載の成分分離デバイス。
5. 前記複数個形成された突起部は、
   前記流路溝の両側の外側壁に形成されている請求項１から４のいずれか一つに記載の成分分離デバイス。
6. 前記流路溝の幅をＷとし、
   前記流路溝に導入する液体成分および固形成分の混合物のうち、前記液体成分における音速をｖとすると、
   ｆ₁＝ｎ×ｖ／Ｗ （ｎは自然数）
   を満たす周波数ｆ１が共振周波数である第１の突起部と、
   ｆ₂＝（１／２）×ｖ／Ｗ もしくは （１／２＋ｎ）×ｖ／Ｗ (ｎは自然数）を満たす周波数ｆ ₂ が共振周波数である第２の突起部とを有する請求項１から５のいずれか一つに記載の成分分離デバイス。
7. 前記流路溝が複数形成されている場合、またはこの流路溝が枝分かれしている場合、
   対面する流路溝の側壁に形成されたそれぞれの突起部は、
   隣接するように形成された請求項１から６のいずれか一つに記載の成分分離デバイス。
8. 前記突起部の厚みは、
   音響波伝搬板よりも薄いものとした請求項１から７のいずれか一つに記載の成分分離デバイス。
9. 検体導入口と、
   この検体導入口に接続された輸送部と、
   この輸送部と接続された請求項１から８に記載の成分分離デバイスのいずれか一つと、この成分分離デバイスに接続された反応部と、
   この反応部に接続された分析部とを備え、
   前記突起部の周辺には空孔を有する化学分析デバイス。

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