JP5208480B2 - 弁ユニット、弁ユニットを備えた微細流動装置、及び微細流動基板 - Google Patents
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Description
本発明は、微細チャンネルを介した流体の流れを適時に開閉するための弁ユニット、弁ユニットを備えた微細流動装置及び微細流動基板に関する。
例えば、Ｌｙｓｉｓ反応、ＰＣＲ（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）反応のような生化学反応に使われる基板（言い換えれば、ラボ・オン・チップ）には、流体の流路を形成する微細チャンネルが形成されており、このような微細チャンネルを介した流体の流れを適時に開閉するための弁ユニットが設けられる。
図１は、従来の弁ユニットを示した平面図であって、非特許文献１により公知にされている弁ユニットである。
図１を参照すれば、従来の弁ユニット１０は、流体Ｆの流路を形成する微細チャンネル１２と、微細チャンネル１２を通じて流体Ｆが流れないように微細チャンネル１２を遮断するパラフィンワックス２０と、パラフィンワックス２０に隣接して設けられる、拡張されたチャンネル幅を有するワックスチャンバ１５と、を備える。流体Ｆの流れが要求される際に前記パラフィンワックス２０に熱（Ｈ）が加えられ、この熱Ｈによってパラフィンワックス２０が溶けて微細チャンネル１２が開放されて、停滞されていた流体Ｆが２点鎖線の矢印方向（すなわち、図中上から下に向かった方向）に流れるようになっている。溶けたパラフィンワックス２０は、ワックスチャンバ１５に凝集されて流体Ｆの流れを妨害しない。
前記弁ユニット１０は、初期段階に閉鎖された微細チャンネル１２を開放するための、いわば、開放弁ユニットである。これまでは、図１に示したような開放弁ユニット、または初期段階に開放されたチャンネルを閉鎖するための閉鎖弁ユニットが別個に構成されていたに過ぎず、１つのユニットとしてチャンネルを開閉できる弁ユニットは、公知にされていない。また、チャンネルの開閉動作を反復的に行える弁ユニットも、公知にされていない。したがって、複雑な流体反応プロセスを行うための基板は、複数個の開放弁ユニット及び閉鎖弁ユニットにより、基板の小型化が難しく、基板の製作コストが高く、かつ製作時間も長くかかるという問題点がある。
ロビン・ホイ・リュウ（Ｒｏｂｉｎ・Ｈｕｉ・Ｌｉｕ）、「Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ．Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ（Ｖｏｌ．７６）」、２００４年、ｐ．１８２４―１８３１
ロビン・ホイ・リュウ（Ｒｏｂｉｎ・Ｈｕｉ・Ｌｉｕ）、「Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ．Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ（Ｖｏｌ．７６）」、２００４年、ｐ．１８２４―１８３１
本発明は、前記問題点を解決するためのものであって、１つのユニットとしてチャンネルを開閉できる弁ユニット、弁ユニットを備えた微細流動装置及び微細流動基板を提供することを技術的課題とする。
また、本発明は、チャンネルの開閉動作を多数回行える弁ユニット、それを備えた微細流動装置及び微細流動基板を提供することを技術的課題とする。
前記課題を達成するために本発明は、常温時には固体状態であり、エネルギーを吸収することにより、溶融する相転移物質を含む弁物質が保存される弁物質コンテナと、流体の流路を形成するチャンネルと弁物質コンテナとを連結する弁連結路と、前記チャンネル上で前記弁連結路と合流する箇所の両側にそれぞれ設けられた一対のドレインチャンバと、を備え、前記弁物質コンテナまたは前記弁連結路の内部で硬化された前記弁物質にエネルギーを供給することにより、前記弁物質が溶融、移動、及び再硬化し、前記チャンネルが閉鎖され、前記チャンネルを閉鎖する前記弁物質にエネルギーを供給することにより、前記弁物質が前記ドレインチャンバに排出され、前記チャンネルが開放されるように構成されることを特徴とする弁ユニット及びそれを備えた微細流動装置を提供する。
また、本発明は、流体の流路を形成するチャンネルと、常温時には固体状態であり、エネルギーを吸収することにより、溶融する相転移物質を含む弁物質が保存される弁物質コンテナと、前記チャンネルと前記弁物質コンテナとを連結する弁連結路と、前記チャンネル上で前記弁連結路と合流する箇所の両側にそれぞれ設けられた一対のドレインチャンバと、を備え、前記弁物質コンテナまたは前記弁連結路の内部で硬化された前記弁物質にエネルギーを供給することにより、前記弁物質が溶融、移動、及び再硬化し、前記チャンネルが閉鎖され、前記チャンネルを閉鎖する前記弁物質にエネルギーを供給することにより、前記弁物質が前記ドレインチャンバに排出され、前記チャンネルが開放されるように構成されることを特徴とする微細流動基板を提供する。
望ましくは、前記エネルギーは、少なくとも１ｍＪ／ｐｕｌｓｅのエネルギーを有するパルス電磁波であり、または少なくとも１０ｍＷの出力を有する電磁波でありうる。
望ましくは、前記エネルギーは、７５０〜１３００ｎｍの波長を有するレーザ光、赤外光、または前記相転移物質を流体状態に溶融する温度のガスでありうる。
望ましくは、前記弁物質は、前記相転移物質に分散された、外部エネルギーを吸収して発熱する多数の微細発熱粒子をさらに含みうる。
望ましくは、前記微細発熱粒子は、直径が１ｎｍ〜１００μｍであり、強磁性物質またはＡｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４及び、ＨｆＯ２からなる群から選択される少なくとも１つの金属酸化物を成分として含みうる。
望ましくは、前記微細発熱粒子は、重合体粒子、クァンタムドット、または磁性ビーズでありうる。
望ましくは、前記磁性ビーズは、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、及びこれらの酸化物からなる群から選択される少なくとも１つを成分として含みうる。
望ましくは、前記相転移物質は、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、合成ワックス、天然ワックスからなる群から選択されるワックスのうち、少なくとも１つを含み、
前記ワックスは、ポリアクリルアミド、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、及びポリビニルアミドからなる群から選択されるゲルのうち、少なくとも１つを含み、
前記ゲルは、環状オレフィン共重合体（ＣＯＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、パーフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、ポリビニルクロライド（ＰＶＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）からなる群から選択される熱可塑性樹脂のうち、少なくとも１つを含みうる。
前記ワックスは、ポリアクリルアミド、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、及びポリビニルアミドからなる群から選択されるゲルのうち、少なくとも１つを含み、
前記ゲルは、環状オレフィン共重合体（ＣＯＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、パーフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、ポリビニルクロライド（ＰＶＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）からなる群から選択される熱可塑性樹脂のうち、少なくとも１つを含みうる。
望ましくは、前記チャンネルが複数個備えられ、前記チャンネルの個数に対応する個数の前記弁連結路が備えられ、各チャンネルに前記ドレインチャンバが一対ずつ備えられる。
望ましくは、前記弁ユニットは、流体が収容される流体チャンバと、前記一対のドレインチャンバ間における前記チャンネルの一部分と前記流体チャンバとを連結する流体連結路と、をさらに備え、前記弁物質コンテナまたは前記弁連結路の内部で硬化された弁物質にエネルギーを供給することにより、前記弁物質が溶融、移動、及び再硬化し、前記流体連結路も閉鎖される。
本発明によれば、１つの弁ユニットがチャンネルの開放動作及び閉鎖動作を行うため、流体反応用基板の小型化及び集積化が容易となる。また、基板の製作コストの節減及び製造時間の短縮が可能である。
本発明の弁ユニットは、チャンネルの開閉動作を多数回行えて基板の再使用が可能である。また、これにより、基板で流体の流路を単純に設計しうるので、基板の設計が容易である。
以下、添付された図面を参照して、本発明の望ましい実施形態による弁ユニット及び弁ユニットを備えた微細流動装置を詳細に説明する。
図２Ａないし図２Ｆは、本発明の１実施形態による弁ユニットの作動を順次に示す斜視図であり、図３は、本発明の１実施形態による弁ユニットの変形例を示す斜視図である。
図２Ａないし図２Ｆを参照すれば、本発明の１実施形態による弁ユニット４０Ａは、弁物質コンテナ４２Ａと、前記弁物質コンテナ４２Ａに注入される弁物質Ｖと、流体Ｆの流路を形成するチャンネル３５と前記弁物質コンテナ４２Ａとを連結する弁連結路４４Ａと、前記チャンネル３５上で前記弁連結路４４Ａと合流する箇所の両側のそれぞれに設けられた一対のドレインチャンバ４６、４７と、を備える。また、前記弁物質Ｖにエネルギーを供給するためのエネルギー源の一例として、レーザ光源５０を含む。前記レーザ光源５０は、電磁波の一種であるレーザＬを照射するが、本発明のエネルギー源は、レーザ光源５０に限定されず、赤外線（ＩＲ）照射や、高温ガスの噴射により弁物質Ｖにエネルギーを供給することもある。
前記弁物質コンテナ４２Ａ、チャンネル３５、弁連結路４４Ａ及びドレインチャンバ４６、４７は、相互に接着された上部及び下部プレート３１、３４を備えてなされた基板３０に形成される。上部プレート３１と下部プレート３４との接着方法は、接着剤や両面接着テープを利用することもあり、超音波融着によることもある。
前記基板３０は、図５に示したような流体の微細流動装置１００を構成する基板でありうる。具体的に、前記下部プレート３４に弁物質コンテナ４２Ａ、チャンネル３５、弁連結路４４Ａ及び一対のドレインチャンバ４６、４７が形成され、前記上部プレート３１には、弁物質コンテナ４２Ａに弁物質Ｖを注入するための弁物質注入ホール３２が形成されている。前記チャンネル３５と弁連結路４４Ａは、幅が約１ｍｍ、深さが約０.１ｍｍの微細チャンネルである。前記ドレインチャンバ４６、４７は、約３ｍｍの深さを有するように形成され、前記弁物質コンテナ４２Ａは、ドレインチャンバ４６、４７より浅く、例えば、１ｍｍほどの深さを有するように形成される。
基板３０の上側で前記レーザ光源５０から照射されたレーザＬが基板３０の内部の弁物質Ｖに照射されるように、前記基板３０の上部プレート３１または前記上部プレート３１の少なくとも一部分は透明である。したがって、前記上部プレート３１は、ガラスまたは透明プラスチックで形成されることが望ましい。前記下部プレート３４も、上部プレート３１と同じ材質で形成される。一方、下部プレート３４が熱伝導に相対的に優れたシリコン（Ｓｉ）材質で形成されたとすれば、必要とされるポリメラーゼ連鎖反応（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ）のような熱サイクルを迅速に、かつ信頼性を向上させて実行することができる。
前記弁物質Ｖは、常温時には、固体状態の相転移物質と、前記相転移物質に均一に分散された多数の微細発熱粒子とを含んでなる。前記相転移物質は、ワックスでありうる。前記ワックスは、加熱することにより、溶融して液体状態に変形し、体積膨脹する。前記ワックスとしては、例えば、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、合成ワックス、または天然ワックスが採用される。
一方、前記相転移物質は、ゲルまたは熱可塑性樹脂でもある。前記ゲルとしては、ポリアクリルアミド、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、またはポリビニルアミドが採用される。また、前記熱可塑性樹脂としては、環状オレフィン共重合体（ＣＯＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、パーフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、ポリビニルクロライド（ＰＶＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、またはポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）が採用される。
前記微細発熱粒子は、微細な幅を有するチャンネル３５及び弁連結路４４Ａを自在に通過できるように１ｎｍ〜１００μｍの直径を有する。前記微細発熱粒子は、例えば、レーザＬの照射などの方法を通じてエネルギーが供給されることにより、温度が急上昇して発熱する性質を有し、ワックスに均一に分散される性質を有する。このような性質を有するように、前記微細発熱粒子は、金属成分を含むコアと、疏水性の表面構造とを有しうる。例えば、前記微細発熱粒子は、Ｆｅからなるコアと、前記Ｆｅに結合されてＦｅを覆い包む多数の界面活性成分とを備えた分子構造を有しうる。
一般的に、前記微細発熱粒子は、キャリアオイルに分散された状態で保管される。疏水性の表面構造を有する前記微細発熱粒子が均一に分散されるように、キャリアオイルも疏水性であることが望ましい。ワックスに前記微細発熱粒子が分散されたキャリアオイルを注いで混合することによって弁物質Ｖを製造しうる。前記微細発熱粒子の粒子形態は、例としてあげた重合体の形態に限定されず、クァンタムドットまたは磁性ビーズの形態でも可能である。
図４は、純粋パラフィンワックスと、レーザ照射によって発熱する微細発熱粒子が含まれたパラフィンワックスにレーザを照射したときの融点到達時間を比較したグラフである。
図４を参照すれば、実線で示されたグラフが純粋（１００％）パラフィンワックスの温度グラフであり、点線で示されたグラフが平均直径１０ｎｍの微細発熱粒子が分散されたキャリアオイルとパラフィンワックスとが１対１の割合で混合された５０％不純物（微細発熱粒子）パラフィンワックスの温度グラフであり、二点鎖線で示されたグラフは、平均直径１０ｎｍの微細発熱粒子が分散されたキャリアオイルとパラフィンワックスとが１対４の割合で混合された２０％不純物（微細発熱粒子）パラフィンワックスの温度グラフである。実験には、８０８ｎｍの波長を有するレーザが使われた。パラフィンワックスの融点は、約６８〜７４℃である。図４を参照すれば、純粋パラフィンワックスは、レーザ照射後２０秒以上が経過して始めて、融点に到達する（図中（ｉｉ）参照）。一方、５０％不純物（微細発熱粒子）パラフィンワックス及び２０％不純物（微細発熱粒子）パラフィンワックスは、レーザ照射後に急速に加熱されて約５秒で融点に到達することが確認できる（図中（ｉ）参照）。
図２Ａないし図２Ｆを再び参照すれば、微細発熱粒子は、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、またはこれらの酸化物のような強磁性物質を成分として含みうる。また、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４及び、ＨｆＯ２などの金属酸化物を成分として含むこともある。
前記レーザ光源５０は、レーザダイオードを備えうる。パルスレーザを照射する場合、少なくとも１ｍＪ／ｐｕｌｓｅのエネルギーを有するパルスレーザを、レーザを連続照射する場合、少なくとも１０ｍＷの出力でレーザを照射しうるならば、本実施形態におけるレーザ光源５０として採用される。図２Ａないし図２Ｆに示していないが、前記弁ユニット４０Ａは、レーザビームＬの照射方向と照射領域とを調整するための並行光学系ユニット（ａ ｃｏｌｌｉｍａｔｉｎｇ ｕｎｉｔ）をさらに備え、他のレーザ光源（図示せず）をさらに備えることもある。前記並行光学系ユニットは、１つ以上のレンズと、１つ以上のミラーとを備えうる。
図２Ａに示したように、弁物質コンテナ４２Ａに注入され、硬化した弁物質Ｖにレーザ光源５０を利用して、一定時間、レーザビームＬを照射すれば、前記弁物質Ｖが急激に溶融、膨脹して弁連結路４４Ａを通じてチャンネル３５に流入される。図２Ｂに示したように、前記チャンネル３５に流入された弁物質Ｖは、ドレインチャンバ４６、４７間のチャンネル３５に残留し、チャンネル３５を閉鎖する。したがって、流体Ｆは、チャンネル３５に沿って流れない状態となる。弁物質Ｖのうち一部は、前記一対のドレインチャンバ４６、４７に収容されることもある。
図２Ｃに示したように、一対のドレインチャンバ４６、４７間で硬化された弁物質Ｖにレーザ光源５０により、再度、一定時間、レーザビームＬを照射することにより、硬化された弁物質Ｖが再び急激に溶融、膨脹してチャンネル３５から除去される。これにより、図２Ｄに示したように、チャンネル３５が再び開放され、流体Ｆがチャンネル３５に沿って流れる状態となる。
さらに、図２Ｅに示したように、弁物質コンテナ４２Ａと弁連結路４４Ａとに残っている弁物質Ｖにレーザ光源５０を利用して一定時間、レーザビームＬを照射すれば、硬化された弁物質Ｖが再び急激に溶融、膨脹してチャンネル３５に流入され、かつ硬化し、図２Ｆに示したように、再度チャンネル３５が閉鎖される。このように弁物質ＶにレーザビームＬの照射を繰り返し行うことにより、チャンネル３５を反復的に開閉させる。
さらに、図２Ｅに示したように、弁物質コンテナ４２Ａと弁連結路４４Ａとに残っている弁物質Ｖにレーザ光源５０を利用して一定時間、レーザビームＬを照射すれば、硬化された弁物質Ｖが再び急激に溶融、膨脹してチャンネル３５に流入され、かつ硬化し、図２Ｆに示したように、再度チャンネル３５が閉鎖される。このように弁物質ＶにレーザビームＬの照射を繰り返し行うことにより、チャンネル３５を反復的に開閉させる。
ドレインチャンバが備えられた弁ユニットの場合について説明したが、ドレインチャンバを備えていない弁ユニットも本発明に含まれる。例えば、図１０に示したように、弁連結路とチャンネル３５とが連結される弁領域（固体状態の弁物質がチャンネルを通じた流体の移動を遮断している領域）のチャンネルの深さｄ４が、他の部分のチャンネルの深さｄ６よりも浅く形成された弁ユニットも本発明に含まれる。具体的に、弁連結路（図示せず）に連結された交差溝８５は、ｄ５の深さを有し、弁物質Ｖが固体状態でチャンネル３５を塞いでいる弁領域は、ｄ４の深さを有し、チャンネル３５は、前記ｄ４より深いｄ６の深さを有する。
図３を参照すれば、１実施形態の変形例による弁ユニット４０Ｂは、弁物質コンテナ４２Ｂとチャンネル３５とを連結する弁連結路４４Ｂが、１実施形態による４０Ａ（図２Ａを参照）の弁連結路４４Ａとは異なっている。弁連結路４４Ｂは迂回せずに、チャンネル３５に直線的に対向した経路に沿って形成されており、１実施形態による４０Ａの弁連結路４４Ａと比べ、相対的に短い。したがって、基板３０をさらに集約し、かつ小型化しやすい。但し、前記弁ユニット４０Ｂでは、１実施形態による弁ユニット４０Ａより精密にレーザビームＬの照射方向と照射領域とが制御される必要がある。
図５は、図２の弁ユニットを備えた微細流動装置の一例を示す斜視図であり、図６Ａないし図６Ｃは、図５の微細流動装置の作動試験結果を順次に示す図である。
図５を参照すれば、本発明の望ましい実施形態による微細流動装置１００は、円盤形態の基板１１０と、前記基板１１０を回転させるためのスピンドルモータ１０５と、前記基板１１０に向かってレーザビームＬを照射するためのレーザ光源１５０と、を備える。前記基板１１０は、相互に接着された上部プレート１１１と下部プレート１１４とで形成されている。前記下部プレート１１４には、放射状に延設されたチャンネル１２０が設けられ、基板１１０の中心部と外周部とには、前記チャンネル１２０の一端及び他端に連結された第１流体チャンバ１１５と第２流体チャンバ１１６とが設けられる。
前記チャンネル１２０に沿って多数の弁物質コンテナ１３０と、前記弁物質コンテナ１３０と前記チャンネル１２０とを連結する多数の弁連結路１３２と、前記チャンネル１２０上で弁連結路１３２と合流する箇所の両側にそれぞれ対で設けられた多数のドレインチャンバ１３４、１３５と、が形成されている。前記弁物質コンテナ１３０と、弁連結路１３２と、一対のドレインチャンバ１３４、１３５と、レーザ光源１５０とは、弁ユニット４０Ａ（図２Ａを参照）を形成する。前記第１流体チャンバ１１５に流体を注入するために上部プレート１１１には、流体注入ホール１１３が形成されている。
図６Ａは、第２流体チャンバ１１６に隣接した第１弁物質コンテナ１３０（ｉ）にレーザを照射して弁物質Ｖによりチャンネル１２０を閉鎖した後、一対のドレインチャンバ１３４（ｉ）、１３５（ｉ）間にさらにレーザを照射してチャンネル１２０を再び開放した状態を示す図である。前記第１流体チャンバ１１５に流体を注入し、基板１１０（図５を参照）を複数回、回転させることにより、流体がチャンネル１２０に沿って流れ、第２流体チャンバ１１６に移動された。このことより、チャンネル１２０が開放されていることが確認できる。
図６Ｂは、第２流体チャンバ１１６から２番目に隣接した第２弁物質コンテナ１３０（ｉｉ）にレーザを照射して弁物質Ｖによりチャンネル１２０を閉鎖した状態を示す図である。前記第１流体チャンバ１１５に再び流体を注入し、基板１１０を回転させたが、流体がチャンネル１２０に沿って移動しなかった。このことより、チャンネル１２０が閉鎖されていることが確認できる。
図６Ｃは、第２弁物質コンテナ１３０（ｉｉ）に近接した一対のドレインチャンバ１３４（ｉｉ）、１３５（ｉｉ）間にさらにレーザを照射してチャンネル１２０を再び開放した状態を示す図である。前記第１流体チャンバ１１５に再び流体を注入し、基板１１０を複数回、回転させたところ、流体がチャンネル１２０に沿って流れ、第２流体チャンバ１１６に移動し、第２流体チャンバ１１６の水位が上がった。このことより、チャンネル１２０が再び開放されていることが確認できる。
図７Ａないし図７Ｅは、本発明の他の実施形態による弁ユニットの作動を順次に示した平面図である。
図７Ａないし図７Ｅを参照すれば、本発明の他の実施形態による弁ユニット６０は、弁物質コンテナ６２と、前記弁物質コンテナ６２に注入される弁物質Ｖと、一対のチャンネル３６、３７と前記弁物質コンテナ６２とをそれぞれ連結する一対の弁連結路６３、６４と、前記各チャンネル３６、３７上で弁連結路６３、６４と合流する箇所の両側に一対ずつ設けられた二対のドレインチャンバ６６、６７；６８、６９と、を備える。また、前記弁物質Ｖにエネルギーを供給するためのレーザ光源５０（図２Ａを参照）を含む。前記弁物質Ｖとレーザ光源とについては、図２Ａないし図２Ｆを参照して詳細に説明したので、ここでの説明は省略する。
図７Ａに示したように、弁物質コンテナ６２に注入されて硬化された弁物質Ｖに一定時間、レーザビームを照射する。Ａ１は、このとき、レーザが照射される照射領域を表す。それにより、図７Ｂに示したように、前記弁物質Ｖが急激に溶融、膨脹して一対の弁連結路６３、６４を通じて各チャンネル３６、３７に流入される。前記チャンネル３６、３７に流入された弁物質Ｖは、毛細管現象によって拡散され、各チャンネル３６、３７に残存し、硬化されることにより前記チャンネル３６、３７を閉鎖する。弁物質Ｖのうち一部は、ドレインチャンバ６６、６７；６８、６９に収容されることもある。
二対のドレインチャンバ６６、６７；６８、６９の間で硬化された弁物質Ｖにさらに一定時間、レーザビームを照射する。図７ＢのＡ２及びＡ３は、このとき、レーザの照射領域を表す。それにより、硬化された弁物質Ｖが再び急激に溶融、膨脹してチャンネル３６、３７から除去される。これにより、図７Ｃに示したように、チャンネル３６、３７が再び開放され、流体Ｆがチャンネル３６、３７に沿って流れる状態となる。
再び、弁物質コンテナ６２と一対の弁連結路６３、６４とに残っている弁物質Ｖに一定時間、レーザビームを照射する。Ａ４は、このとき、レーザが照射される照射領域を表す。そのようにすれば、図７Ｄに示したように、硬化された弁物質Ｖが再び急激に溶融、膨脹して一対のチャンネル３６、３７に流入し、チャンネル３６、３７に残存し、硬化されることにより弁物質Ｖが再びチャンネル３６、３７を閉鎖する。
二対のドレインチャンバ６６、６７；６８、６９の間で硬化された弁物質Ｖに再び一定時間、レーザビームを照射する。図７ＤのＡ５及びＡ６は、このとき、レーザの照射領域を表す。そのようにすれば、硬化された弁物質Ｖが再び急激に溶融、膨脹してチャンネル３６、３７から除去される。これにより、図７Ｅに示したようにチャンネル３６、３７が再び開放される。このように弁物質ＶにレーザビームＬの照射を繰り返し行ってチャンネル３６、３７を反復的に開閉させる。
図８Ａないし図８Ｅは、本発明のさらに他の実施形態による弁ユニットの作動を順次に示した平面図であり、図９は、図８ＡのＩＸ−ＩＸによる断面図である。
図８Ａないし図８Ｅ、及び図９を参照すれば、本発明のさらに他の実施形態による弁ユニット８０は、弁物質コンテナ８２と、前記弁物質コンテナ８２に注入される弁物質Ｖと、チャンネル３８と前記弁物質コンテナ８２とを連結する弁連結路８３と、前記チャンネル３８上で弁連結路８３と合流する箇所の両側に設けられた一対のドレインチャンバ８６、８７と、前記弁物質Ｖにエネルギーを供給するためのレーザ光源５０（図２Ａを参照）と、を備える。前記弁連結路８３とチャンネル３８との交差部には、交差溝８５が形成されている。前記交差溝８５は、ドレインチャンバ８６、８７よりは浅く、チャンネル３８よりは深く形成される。
また、前記弁ユニット８０は、流体Ｆが収容される流体チャンバ９０と、前記流体チャンバ９０と交差溝８５とを連結する流体連結路９２とをさらに備える。前記弁物質コンテナ８２と、チャンネル３８と、弁連結路８３と、ドレインチャンバ８６、８７と、流体チャンバ９０と、流体連結路９２と、交差溝８５は、基板３０の下部プレート３４に形成される。基板３０の上部プレート３１には、流体チャンバ９０に流体を注入するための流体注入ホール９１が形成されている。一方、前記弁物質Ｖとレーザ光源については、図２Ａないし図２Ｆを参照して詳細に説明したので、ここでの説明は省略する。
図８Ａに示したように、弁物質コンテナ８２に注入され、硬化された弁物質Ｖに一定時間、レーザビームを照射する。Ａ１１は、このとき、レーザが照射される照射領域を表す。そのようにすれば、図８Ｂに示したように、前記弁物質Ｖが急激に溶融、膨脹して弁連結路８３を通じて交差溝８５、チャンネル３８及び流体連結路９２に流入される。チャンネル３８に流入された弁物質Ｖは、前記交差溝８５を充填し、毛細管現象によって拡散されて交差溝８５とドレインチャンバ８６、８７との間に残存、硬化し、前記チャンネル３８を閉鎖する。弁物質Ｖのうち一部は、ドレインチャンバ８６、８７に収容されることもある。また、前記流体連結路９２に流入された弁物質Ｖは、前記流体連結路９２に残存し、硬化される。このとき、前記流体チャンバ９０に流体Ｆを注入しても、流体連結路９２が閉鎖されているため、流体Ｆがチャンネル３８に沿って流れない。
交差溝８５とドレインチャンバ８７と対向して配置されたドレインチャンバ８６との間、および流体連結路９２及び交差溝８５の一部に一定時間、レーザビームを照射する。図８ＢのＡ１２は、このとき、レーザの照射領域を表す。そのようにすれば、レーザ照射領域Ａ１２で硬化された弁物質Ｖが再び急激に溶融、膨脹して、図８Ｃに示したように、流体連結路９２と交差溝８５とを基準として、ドレインチャンバ８７と対向するチャンネル３８が開放される。これにより、流体Ｆが図中の矢印方向に沿って流出可能な状態となる。
次に、弁物質コンテナ８２と弁連結路８３とに一定時間、レーザビームを照射する。Ａ１３は、このとき、レーザが照射される照射領域を表す。そのようにすれば、弁物質コンテナ８２と弁連結路８３とに硬化されて残存した弁物質Ｖが再び急激に溶融、膨脹して、図８Ｄに示したように、交差溝８５と左側ドレインチャンバ８６との間、及び流体連結路９２に再び流入されて硬化される。したがって、流体チャンバ９０内の流体Ｆは、再び流れが遮断される。
次に交差溝８５とドレインチャンバ８６に対向して配置されたドレインチャンバ８７との間、流体連結路９２、及び交差溝８５の一部に一定時間、レーザビームを照射する。図８ＤのＡ１４は、このとき、レーザの照射領域を表す。そのようにすれば、レーザ照射領域Ａ１４で硬化された弁物質Ｖが再び急激に溶融、膨脹して、図８Ｅに示したように、流体連結路９２と交差溝８５とを基準として、ドレインチャンバ８６と対向するチャンネル３８が開放される。これにより、流体Ｆが矢印方向に沿って流出可能な状態となる。前記本発明のさらに他の実施形態による弁ユニット８０を利用すれば、流体の流れ方向を選択できるという長所がある。
一方、微細発熱粒子を含まず、相転移物質のみからなる弁物質にエネルギーを供給して前記弁物質を溶融させることにより、チャンネルを開閉できるように構成された弁ユニット及びそれを備えた微細流動装置も本発明に含まれる。
本発明は、図面に示された実施形態を参照して説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるということが分かるであろう。したがって、本発明の真の技術的な保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決定されねばならない。
本発明は、生科学分析関連の技術分野に適用可能である。
３０ 基板、
３１ 上部プレート、
３２ 弁物質注入ホール、
３４ 下部プレート、
３５ チャンネル、
４０Ａ 弁ユニット、
４２Ａ 弁物質コンテナ、
４４Ａ 弁連結路、
４６、４７ ドレインチャンバ、
５０ レーザ光源、
Ｖ 弁物質、
Ｌ レーザ、
Ｆ 流体。
３１ 上部プレート、
３２ 弁物質注入ホール、
３４ 下部プレート、
３５ チャンネル、
４０Ａ 弁ユニット、
４２Ａ 弁物質コンテナ、
４４Ａ 弁連結路、
４６、４７ ドレインチャンバ、
５０ レーザ光源、
Ｖ 弁物質、
Ｌ レーザ、
Ｆ 流体。
Claims (25)
- 常温時には固体状態であり、エネルギーを吸収することにより、溶融する相転移物質を含む弁物質が保存される弁物質コンテナと、
流体の流路を形成するチャンネルと前記弁物質コンテナとを連結する弁連結路と、
前記チャンネル上で前記弁連結路と合流する箇所の両側にそれぞれ設けられた一対のドレインチャンバと、を備え、
前記弁物質コンテナまたは前記弁連結路の内部で硬化された前記弁物質にエネルギーを供給することにより、前記弁物質が溶融、移動及び再硬化し、前記チャンネルが閉鎖され、
前記チャンネルを閉鎖する前記弁物質にエネルギーを供給することにより、前記弁物質が前記ドレインチャンバに排出され、前記チャンネルが開放されるように構成されることを特徴とする弁ユニット。 - 前記エネルギーは、少なくとも１ｍＪ／ｐｕｌｓｅのエネルギーを有するパルス電磁波であり、または少なくとも１０ｍＷの出力を有する電磁波であることを特徴とする請求項１に記載の弁ユニット。
- 前記エネルギーは、７５０〜１３００ｎｍの波長を有するレーザ光、赤外光、または前記相転移物質を流体状態に溶融する温度のガスであることを特徴とする請求項１に記載の弁ユニット。
- 前記弁物質は、前記相転移物質に分散された、外部エネルギーを吸収して発熱する多数の微細発熱粒子をさらに含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の弁ユニット。
- 前記微細発熱粒子は、直径が１ｎｍ〜１０μｍであり、強磁性物質またはＡｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４及び、ＨｆＯ２からなる群から選択される少なくとも１つの金属酸化物を成分として含むことを特徴とする請求項４に記載の弁ユニット。
- 前記微細発熱粒子は、重合体粒子、クァンタムドット、または磁性ビーズであることを特徴とする請求項４に記載の弁ユニット。
- 前記磁性ビーズは、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ及び、これらの酸化物からなる群から選択される少なくとも１つを成分として含むことを特徴とする請求項６に記載の弁ユニット。
- 前記相転移物質は、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、合成ワックス、及び天然ワックスからなる群から選択されるワックスのうち、少なくとも１つを含み、
前記ワックスは、ポリアクリルアミド、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、及びポリビニルアミドからなる群から選択されるゲルのうち、少なくとも１つを含み、
前記ゲルは、環状オレフィン共重合体（ＣＯＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、パーフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、ポリビニルクロライド（ＰＶＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）からなる群から選択される熱可塑性樹脂のうち、少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の弁ユニット。 - 前記チャンネルは、複数個備えられ、前記チャンネルの数に対応する個数の前記弁連結路が備えられ、各チャンネルに前記ドレインチャンバが一対ずつ備えられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の弁ユニット。
- 流体が収容される流体チャンバと、前記一対のドレインチャンバ間における前記チャンネルの一部分と前記流体チャンバとを連結する流体連結路と、をさらに備え、
前記弁物質コンテナまたは前記弁連結路の内部で硬化された弁物質にエネルギーを供給することにより、前記弁物質が溶融、移動、及び再硬化し、前記流体連結路が閉鎖されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の弁ユニット。 - 流体の流路を形成するチャンネルを備える基板と、前記チャンネルを開閉するための弁ユニットとを備えた微細流動装置において、前記弁ユニットは、
常温時には固体状態であり、エネルギーを吸収することにより、溶融する相転移物質を含む弁物質が保存される弁物質コンテナと、
前記チャンネルと前記弁物質コンテナとを連結する弁連結路と、前記チャンネル上で前記弁連結路と合流する箇所の両側にそれぞれ設けられた一対のドレインチャンバと、を備え、
前記弁物質コンテナまたは前記弁連結路の内部で硬化された前記弁物質にエネルギーを供給することにより、前記弁物質が溶融し、移動、及び再硬化し、前記チャンネルが閉鎖され、
前記チャンネルを閉鎖する前記弁物質にエネルギーを供給することにより、前記弁物質が前記ドレインチャンバに排出され、前記チャンネルが開放されるように構成されることを特徴とする微細流動装置。 - 前記エネルギーは、少なくとも１ｍＪ／ｐｕｌｓｅのエネルギーを有するパルス電磁波であり、または少なくとも１０ｍＷの出力を有する電磁波であることを特徴とする請求項１１に記載の微細流動装置
- 前記弁物質は、前記相転移物質に分散された、外部エネルギーを吸収して発熱する多数の微細発熱粒子をさらに含むことを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の微細流動装置。
- 前記微細発熱粒子は、直径が１ｎｍ〜１０μｍであり、強磁性物質またはＡｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４及び、ＨｆＯ２からなる群から選択される少なくとも１つの金属酸化物を成分として含むことを特徴とする請求項１３に記載の微細流動装置。
- 前記微細発熱粒子は、重合体粒子、クァンタムドット、または磁性ビーズであることを特徴とする請求項１３に記載の微細流動装置。
- 前記磁性ビーズは、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ及び、これらの酸化物からなる群から選択される少なくとも１つを成分として含むことを特徴とする請求項１５に記載の微細流動装置。
- 前記相転移物質は、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、合成ワックス、及び天然ワックスからなる群から選択されるワックスのうち、少なくとも１つを含み、
前記ワックスは、ポリアクリルアミド、ポリアクリレート、ポリメタクリレート及びポリビニルアミド（ポリビニルアミドｓ）からなる群から選択されるゲルのうち、少なくとも１つを含み、
前記ゲルは、環状オレフィン共重合体（ＣＯＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、パーフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、ポリビニルクロライド（ＰＶＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）からなる群から選択される熱可塑性樹脂のうち、少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１１〜１６のいずれか１項に記載の微細流動装置。 - 前記チャンネルは、複数個備えられ、前記チャンネルの個数に対応する個数の前記弁連結路が備えられ、各チャンネルに前記ドレインチャンバが一対ずつ備えられたことを特徴とする請求項１１〜１７のいずれか１項に記載の微細流動装置。
- 流体が収容される流体チャンバと、前記一対のドレインチャンバ間における前記チャンネルの一部分と前記流体チャンバとを連結する流体連結路と、をさらに備え、
前記弁物質コンテナまたは前記弁連結路の内部で硬化された弁物質に前記エネルギー源からエネルギーを供給することにより、前記弁物質が溶融、移動、及び再硬化し、前記流体連結路が閉鎖されることを特徴とする請求項１１〜１８のいずれか１項に記載の微細流動装置。 - 前記電磁波が基板の内部に伝達されるように前記基板の少なくとも一部分は透明であることを特徴とする請求項１２〜１９のいずれか１項に記載の微細流動装置。
- 前記基板を回転させる回転手段をさらに備え、前記基板の回転による遠心力によって前記流体が押し出されるように構成されることを特徴とする請求項１１〜２０のいずれか1項に記載の微細流動装置。
- 流体の流路を形成するチャンネルと、常温時には固体状態であり、エネルギーを吸収することにより、溶融する相転移物質を含む弁物質が保存される弁物質コンテナと、
前記チャンネルと前記弁物質コンテナとを連結する弁連結路と、
前記チャンネル上で前記弁連結路と合流する箇所の両側にそれぞれ設けられた一対のドレインチャンバと、を備え、
前記弁物質コンテナまたは前記弁連結路の内部で硬化された前記弁物質にエネルギーを供給することにより、前記弁物質が溶融、移動、及び再硬化し、前記チャンネルが閉鎖され、
前記チャンネルを閉鎖する前記弁物質にエネルギーを供給することにより、前記弁物質が前記ドレインチャンバに排出され、前記チャンネルが開放されるように構成されることを特徴とする微細流動基板。 - 前記弁物質は、前記相転移物質に分散されたエネルギーを吸収して発熱する多数の微細発熱粒子をさらに含むことを特徴とする請求項２２に記載の微細流動基板。
- 流体が収容される流体チャンバと、前記一対のドレインチャンバ間における前記チャンネルの一部分と前記流体チャンバとを連結する流体連結路とをさらに備え、
前記弁物質コンテナまたは前記弁連結路の内部で硬化された前記弁物質にエネルギーを供給することにより、前記弁物質が溶融、移動、及び再硬化し、前記流体連結路が閉鎖されることを特徴とする請求項２２および請求項２３に記載の微細流動基板。 - 照射される電磁波のエネルギーが内部に伝達されるように、前記微細流動基板の少なくとも一部分は透明であることを特徴とする請求項２２〜２４のいずれか１項に記載の微細流動基板。
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