JP5820144B2 - マイクロ流体デバイスおよび、これを用いたマイクロ流体装置 - Google Patents
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Description
以下、本発明のマイクロ流体デバイスについて説明する。
図1(a)は本発明のマイクロ流体デバイスの実施の形態の一例を示す斜視図、図1(b)は平面図、図1(c)は図1(b)のA−A断面図、図1(d)は図1(c)のB領域の拡大図である。図2、および図3は、本発明のマイクロ流体デバイスの実施の形態の他の例を示す図である。これらの図において、1はマイクロ流路基体(以下、支持基体ともいう))、2は流路、3は流入口、4は流出口、5は流路内の流体を主として加熱するための第一の抵抗体、6は流路内の流体を補助的に加熱するための第二の抵抗体であり、第一の抵抗体5と異なる位置に配置される。7は第一の抵抗体の電極配線であり、8は第二の抵抗体の電極配線であり、9は絶縁層である。第一の抵抗体5は流路2内に配置され、第二の抵抗体6は流路から離れて配置されている。
図2は、流路が1本、第一の抵抗体が1個、第二の抵抗体が4個配置されており、第二の抵抗体は、流路の長手方向の同一直線上に、第一の抵抗体を挟んで2個、第一の抵抗体の長手方向に平行に、第一の抵抗体を挟んで2個、それぞれ配置されている。
図3は、複数の並行した流路(ここでは3本)が配置されており、それぞれ独立して各流路に対応した数だけ第一の抵抗体が配置される。また、第二の抵抗体は、基体の最も外側に配置された第一の抵抗体のさらに基体の外側の領域に、第一の抵抗体の長手方向と平行に配置されている。
しかし、第一の抵抗体と第二の抵抗体とを共通の配線で接続しても良い。この場合は、第一の抵抗体と第二の抵抗体とは位置的に独立しており、それぞれの周囲環境が異なっている。このため、熱拡散シミュレーション計算などを行い、第二の抵抗体の寸法、および第一の抵抗体との位置関係を適宜設定して配置すれば良い。
以下、本発明のマイクロ流体装置について説明する。
図1に示すマイクロ流体デバイスの、流体の流入口3および流出口4には、インターフェース用のチューブが接続され、外部ポンプにより流体が流入および流出される。基体内部に設けられた流体を流通させる流路内の流体は、抵抗体に電圧を印加することで発生したジュール熱の、熱伝導によって加熱される。白金などの抵抗体は、温度によって、抵抗値が変化するため、温度センサーとしての機能も兼ねることができる。抵抗体の抵抗値の変化から流体の温度を計測し、目標の温度になるように、PID制御のような制御方法で抵抗体に投入する熱エネルギーを調整する。
上記キャリブレーションを実施した、マイクロ流体デバイス装置は、流路内の流体の温度と第一の抵抗体の抵抗値との関係式と、第一の抵抗体および第二の抵抗体に投入する熱エネルギーの比の固定値とを記憶している。これら上記関係式と固定値とに従い、流路内の流体の温度が制御される。
演算装置には、物理的なシミュレーションを行うための数値計算プログラムと、実際に計算を実施するための計算機とから構成されている。
演算装置で実施される計算は、入力パラメータを用い、実際に物理的なシミュレーションが実施される場合と、あらかじめシミュレーション結果をデーターベースとして記憶しており、データーベースから、簡易的に計算される場合とがある。
30はマイクロ流体デバイスであり、40は装置環境を測定する装置環境計測装置である。マイクロ流体デバイスの寸法データ28と、装置の環境条件のパラメータ29とが、演算装置35に渡される。36、38は計算機であり、39は数値計算プログラムであり、37はシミュレーション結果27をデーターベースとして保存するデーターベースの記憶領域である。26は演算装置35によって求められた第一の抵抗体と第二の抵抗体とに投入する熱エネルギー比の値である。計算機38で計算された結果が、直接に熱エネルギー比の固定値を記憶する記憶領域33に渡される場合もあり、データーベースの記憶領域37から計算機36で簡易的に計算された値が渡される場合もある。34は放射温度計のような温度分布を測定する温度分布計測装置である。放射温度計34で測定された温度分布、および、そのときの第一の抵抗体と第二の抵抗体とに投入した熱エネルギー比の値である25が、演算装置35へ渡され、また、第一の抵抗体と第二の抵抗体とに投入する熱エネルギー比の値が計算される場合もある。32は流路内の流体温度と第一の抵抗体の抵抗値との関係式を記憶している記憶領域である。マイクロ流体デバイス30から第一の抵抗体の抵抗値22が出力制御装置31に渡される。流路内の流体温度と第一の抵抗体の抵抗値との関係式23と、第一の抵抗体と第二の抵抗体とに投入する熱エネルギー比の固定値24とから、抵抗体に投入する熱エネルギーが計算される。そして、抵抗体を加熱するための熱エネルギーの出力値21がマイクロ流体デバイス30に出力される。
図1に、本発明の実施例1で用いたマイクロ流体デバイスを示す、以下に示される比較例に対し、実施例1のマイクロ流体デバイスでは、第一の抵抗体と独立した、流路内の流体を補助的に加熱するための第二の抵抗体6とその配線電極8が追加で形成されている。流路内の流体を主として加熱するための第一の抵抗体の端部と第二の抵抗体の端部との距離は100umとした。マイクロ流体デバイスは、比較例と同様の方法で作製し、比較例と同じくPCR反応を実施した。各第二の抵抗体には、第一の抵抗体と同じ熱エネルギーが投入された。
実施例1では、PCR収率が期待された量の80%程度であった。PCR収率が向上した理由は、流路内の流体の温度分布が改善したことによって、PCRサイクルのかかる領域が増加したためである。
実施例2では、実施例1と同様に図1に示すマイクロ流体デバイスを用いた。実施例1と同じくPCR反応を実施した。実施例2では、実動作の前に、流路内の流体の温度分布が最適となる第一の抵抗体と第二の抵抗体とに投入する熱エネルギーの比を求めるために、キャリブレーションを実施した。キャリブレーションは、放射温度計を用いて行った。放射温度計で、マイクロ流体デバイスの基体の表面の温度分布を測定し、あらかじめ有限要素法の物理シミュレーションによって求めておいた、マイクロ流体デバイスの基体の表面温度と流路内の流体温度分布との関係から、流路内の流体温度を予測した。上記抵抗体に投入する熱エネルギーの比を変化させ、最適な温度分布となる値を求めた。本実施例で用いたマイクロ流体デバイスでは、第一の抵抗体に対して、第二の抵抗体に投入する熱エネルギーが、1.5倍〜2.5倍程度のとき、最適な温度分布となった。
実施例2では、PCR収率が期待された量の95%程度であった。
実施例3では、実施例1、2と同様に図1に示すマイクロ流体デバイスを用いた。実施例1、2と同じくPCR反応を実施した。第一の抵抗体と第二の抵抗体とに投入する熱エネルギーの比は、演算装置によって求めた。
比較例において用いたマイクロ流体デバイスについて説明する。図5に比較例で用いたマイクロ流体デバイスの構造を示す。図7は、図5のマイクロ流体デバイスの分解図である。図7(a)は、流路が形成された基体、図7(d)は支持基体であり、材料は熱伝導率が20℃で1.4W/m/K程度である合成石英基板を用いた。図7(a)の基体内部に設けられた流体を流通させる流路は、サンドブラストによって、幅200um、深さ50um程度に形成した。図7(d)の支持基体には、第一の抵抗体として、スパッタリング法によって白金を厚さ100nm程度成膜し、フォトリソグラフィー法によって幅300um程度に形成した。電極配線としてチタン−金−チタンを連続的に、スパッタリング法によって300nm程度成膜し、フォトリソグラフィー法によって形成した。さらに絶縁層として酸化シリコンを1um程度成膜し、最後に、接着剤によって、図7(a)の基体と接合した。
この比較例では、温度分布が大きいために、PCR収率が期待された値の30%程度であった。
2、12 流路
3、13 流入口
4、14 流出口
5、15 第一の抵抗体
6 第二の抵抗体
7、17 第一の抵抗体の配線電極
8 第二の抵抗体の配線電極
9、19 絶縁層
21 出力値
22 第一の抵抗体の抵抗値
23 流路内の流体温度と第一の抵抗体の抵抗値との関係式
24 第一の抵抗体と第二の抵抗体とに投入する熱エネルギー比の固定値
25 温度分布、および、第一の抵抗体と第二の抵抗体とに投入した熱エネルギー比
26 第一の抵抗体と第二の抵抗体とに投入する熱エネルギー比の値
27 シミュレーション結果
28 マイクロ流体デバイスの寸法データ
29 装置環境のパラメータ
30 マイクロ流体デバイス
31 出力制御装置
32 記憶領域
33 記憶領域
34 温度分布計測装置
35 演算装置
36 計算機
37 データーベースの記憶領域
38 計算機
39 数値計算プログラム
40 装置環境計測装置
Claims (4)
- 平板状の基体内部に基体表面に沿って設けられた流体を流通させる複数の並行した流路と、前記複数の流路内の流体を主として加熱するために各流路に対応してそれぞれ独立して配置された複数の第一の抵抗体とを備える、マイクロ流体デバイスにおいて、前記複数の流路のうち最も外側の2つの流路のさらに外側の基体領域のそれぞれに、前記第一の抵抗体と電気的に独立した、前記各流路内の流体を補助的に加熱するための1つ以上の第二の抵抗体が配置されていることを特徴とするマイクロ流体デバイス。
- 前記第一の抵抗体が、対応する前記各流路の近傍に配置され、前記第二の抵抗体が、前記複数の流路から離れて配置されている請求項1に記載のマイクロ流体デバイス。
- 請求項1または2に記載のマイクロ流体デバイスを含み、前記第一の抵抗体の抵抗値から前記各流路内の流体の温度を計測し、前記第一の抵抗体に投入する熱エネルギーを調整することで前記各流路内の流体の温度を制御するマイクロ流体装置において、前記各流路内の流体の温度と前記第一の抵抗体の抵抗値との関係式と、前記第一の抵抗体に投入する熱エネルギーと前記第二の抵抗体に投入する熱エネルギーとの比の固定値と、を記憶し、前記関係式と前記固定値とに従い、前記各流路内の流体の温度を制御することを特徴とするマイクロ流体装置。
- 前記第一の抵抗体に投入する熱エネルギーと前記第二の抵抗体に投入する熱エネルギーとの比の前記固定値を計算するための演算装置を持ち、マイクロ流体デバイスの寸法と装置の環境条件とを入力パラメータとし、前記演算装置により前記固定値を算出する請求項3に記載のマイクロ流体装置。
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