JP5971629B2 - マイクロ流体デバイス - Google Patents

Description

本発明は、微小反応デバイス（マイクロリアクタ）、集積型ＤＮＡデバイス、微小電気泳動デバイスなどとして用いられるマイクロ流体デバイスに関する。

近年、微細加工技術を応用して製造された、例えば微小反応デバイス、集積型ＤＮＡデバイス、微小電気泳動デバイス等のマイクロ流体デバイスが注目を集めている。マイクロ流体デバイスは、極めて狭小な反応流路を有し、当該反応流路において化学反応等を起こさせるため、極めて効率的にかつ安価に試料の分析を行うことができる。

例えば、反応流体に所望の温度変化を与える反応デバイスにおいて、その温度変化を高速化する方法として、マイクロ流体デバイスを用いた方法が開示されている（特許文献１）。当該特許文献１では、図１１に示すように、デバイス基体を異なる温度領域に分割し、それらを通過する蛇行流路を形成することにより、流路中を進行する反応流体を、各温度領域でそれぞれの温度へと変化させることが開示されている。このような構成により、流体を蛇行流路中に進行させるだけで、所望の温度変化を与えることができるため、温度変化を高速に行うことができるとされている。

特開２００５−１９２５５４号公報

しかしながら、特許文献１記載の従来のマイクロ流体デバイスでは、温度領域の異なる反応流路が同一平面上に形成されているため、デバイスの面積が大きくなってしまい、反応効率を低下させることなくマクロ流体デバイスを小型化することができないという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、反応効率が低下することなく小型化されたマイクロ流体デバイスを提供することにある。

上記課題を解決すべく、本発明に係るマイクロ流体デバイスは、反応流路を有する基体と、前記基体に対向して配置された２以上の温度調節装置と、を備え、前記基体は、面方向が連続的若しくは不連続的に変化する表面を有し、前記表面における、面方向が異なる２以上の位置に対向して前記温度調節装置が配置されるとともに、前記温度調節装置と前記基体との間に反応流路が配置、又は前記温度調節装置に対向して前記基体に反応流路が形成されていることを特徴とする。

一の態様では、前記マイクロ流体デバイスにおいて、前記基体は、直方体であり、一の反応流路が、前記基体を構成する表面を周回するように螺旋状に形成されていることを特徴とする。

別の態様では、前記マイクロ流体デバイスにおいて、前記基体は、一の主面と他方の主面とを有し、前記一の主面から前記他方の主面へ貫通する貫通孔が形成され、該貫通孔が前記反応流路の一部を構成することを特徴とする。

さらに別の態様では、前記マイクロ流体デバイスにおいて、前記基体は、円柱であり、一の反応流路が、前記基体の中心軸を中心として前記基体を構成する表面を周回するように螺旋状に形成されていることを特徴とする。

さらに別の態様では、前記マイクロ流体デバイスにおいて、前記基体は、一端側と他端側とが開口する中空体であり、一の反応流路が、前記中空体を構成する壁部の断面を周回する方向に螺旋状に形成されていてもよい。

さらに、本発明に係るマイクロ流体デバイスは、前記中空体の内部に温度調節装置を有していてもよい。

また、本発明に係るマイクロ流体デバイスにおいて、前記基体と前記温度調節装置との間に保護部材が配置され、前記基体に開口して形成された溝部が前記保護部材により閉じられることにより、前記反応流路が形成されていてもよい。

特に、本発明に係るマイクロ流体デバイスにおいて、二以上の温度調節装置がそれぞれ別々に温度調節可能であることが好ましい。

また、本発明に係るマイクロ流体デバイスにおいて、前記基体が、親水性の膜を形成可能な材料を含んで成り、少なくとも、前記反応流路の最表面に親水性の膜が形成されていることが好ましい。

より具体的には、前記親水性の膜を形成可能な材料はシリコンであり、少なくとも、前記反応流路の最表面にシリコン酸化膜が形成されていることが好ましい。

本発明に係るマイクロ流体デバイスにおいて、前記反応流路が例えばチューブ状の管状体により形成されていてもよい。

本発明によれば、基体は、面方向が連続的若しくは不連続的に変化するような表面を有し、前記表面における、前記面方向が異なる２以上の位置に温度調節装置が配置されているため、基体の表面を有効に活用することができ、反応効率を低下させることなく省スペース化を図ることができる。より具体的には、基体が例えば直方体である場合、温度調節装置を直方体の上面及び下面並びに側面にも配置することができるため、基体の表面を有効に活用することができ、反応効率を低下させることなく省スペース化を図ることができる。

よって、本発明によれば、反応効率を維持しつつ小型化されたマイクロ流体デバイスを提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係るマイクロ流体デバイスの斜視図である。 図２（ａ）は本発明の実施の形態１に係るマイクロ流体デバイスに含まれる基体の上面図、図２（ｂ）はその下面図、図２（ｃ）はその側面図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係るマイクロ流体デバイスの別の態様の斜視図である。 図４（ａ）は当該態様に係るマイクロ流体デバイスに含まれる基体の上面図、図４（ｂ）はその下面図、図４（ｃ）はその側面図である。 図５は、貫通孔群を有する基体の斜視図である。 図６は、本発明の実施の形態１に係るマイクロ流体デバイスのさらに別の態様の斜視図である。 図７は、本発明の実施の形態１のさらに別の態様に係るマイクロ流体デバイスの分解斜視図である。 図８は、本発明の実施の形態１のさらに別の態様に係るマイクロ流体デバイスの斜視図である。 図９は、本発明の実施の形態１のさらに別の態様に係るマイクロ流体デバイスの斜視図である。 図１０は、本発明の実施の形態１のさらに別の態様に係るマイクロ流体デバイスの斜視図である。 図１１（ａ）は、従来のマイクロ流体デバイスの上面図であり、図１１（ｂ）はその側面図である。

本発明を実施するための形態を、以下、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術的思想を具体化するためのマイクロ流体デバイスを例示するものであって、本発明を限定するものではない。また、実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる例示にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。

（実施の形態１）
実施の形態１に係るマイクロ流体デバイス１は、反応流路５を有する基体２と、基体２に対向して配置された２以上の温度調節装置３と、を備え、基体２は、面方向が連続的若しくは不連続的に変化する表面４を有し、表面４における、面方向が異なる２以上の位置に温度調節装置３が配置されるとともに、温度調節装置３と基体２との間に反応流路５が配置、又は温度調節装置３に対向して基体２に反応流路５が形成されている。

本発明において、「面方向」とは、ある表面上のある点における法線が示す方向を意味し、また、「面方向が連続的若しくは不連続的に変化する表面」とは、表面の法線が連続的又は不連続的に変化するような表面を意味する。具体的には、基体２が直方体である場合では、当該表面４は、面方向が異なる６つの長方形の面から構成される表面を意味する。当該６つの長方形の面の境界において面方向は９０°変化する。すなわち、直方体を構成する面の境界において不連続的に変化する。また、基体２が円柱である場合では、上記表面４は、面方向が連続的に変化する筒状（円柱状）の側面と筒状の側面の両端に形成された一端面及び他端面とから構成された表面を意味する。当該側面上では面方向は連続して変化するが、側面と一端面若しくは他端面との境界において面方向は不連続的に変化する。
基体は直方体や円柱に限定されるわけではなく、面方向が連続的若しくは不連続的に変化する表面を有するものであれば如何なるものであってもよい。

図１は、本発明の実施の形態１に係るマイクロ流体デバイス１の斜視図であり、図２（ａ）は本発明の実施の形態１に係るマイクロ流体デバイス１に含まれる基体２（基体２の表面４に反応流路５が形成されている）の上面図、図２（ｂ）はその下面図、図２（ｃ）はその側面図である。実施の形態１では、図１、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、基体２は、直方体であり、面方向が不連続に変化する６つの長方形の面から成る表面４を有し、一の反応流路５が、基体２を構成する６つの長方形の面のうち周方向に連続する４つの面（上面６、下面７、左側面８、右側面９）を周回するように螺旋状に形成されている。このように一の反応流路５が基体２の４つの面（上面６、下面７、左側面８、右側面９）に螺旋状に設けられることにより、上面６、下面７、左側面８、右側面９のそれぞれに反応流路群１０が形成されている。一の反応流路５のピッチ間隔Ｔは、一定であってもよいし、異なっていても良い。反応流路のピッチ間隔Ｔを一定とすることにより、均熱性を向上させることができる。

図１に示すように、基体２の上面６と下面７に対向して、温度調節装置３がそれぞれ配置され、温度調節装置３は、基体２の上面６及び下面７に形成された反応流路群１０を加熱することが可能である。二以上の温度調節装置３はそれぞれ別々に温度調節可能であることが好ましい。二以上の温度調節装置３がそれぞれ別々に温度調節可能であることにより、反応流路中の反応流体の温度を周期的に変化させることができる。このような制御を施すことにより、例えば、ポリメラーゼ連鎖反応のような昇降温の必要な反応に応用することができる。

反応流路５を基体２に螺旋状に形成すると、基体２の上面６と下面７さらには左側面８、右側面９に反応流路群１０が形成されるため、基体２の体積を増加させることなく、反応流路群１０が形成される面積を増加させることができ、マイクロ流体デバイス１の反応効率を向上させることができる。換言すれば、反応流路群１０が形成される面積を減少させることなく、基体２の体積を減少させることができ省スペース化を図ることができる。

本実施の形態１に係るマイクロ流体デバイスにおいて、基体２は、親水性の膜を形成可能な材料を含んで成り、少なくとも、反応流路５の最表面に親水性の膜が形成されていることが好ましい。より具体的には、基体がシリコンであり、反応流路の最表面にシリコン酸化膜が形成される。親水性の膜を形成可能な材料としては、シリコンの他、ガラスなどが挙げられ、親水性の膜としては、シリコン酸化膜の他、ポリエチレングリコールのような親水性高分子膜等を例示することができる。反応流路５の最表面が親水化されることにより、反応流路を流通する被反応物質が流れやすくなる。

本実施の形態１に係るマイクロ流体デバイス１において、反応流路５が管状体（例えばチューブ等）により構成されていても良い。このように、反応流路５を管状体で構成することにより、図７に示すような、基体２に設けられた溝部を閉じるための保護部材１３を排除することができ、マイクロ流体デバイス１を簡略化することができる。管状体は、図２（ｃ）に示すように、基体２の上面６、下面７に開口して設けられた溝部１２に沿って設けてもよいし、基体２の上面６、下面７に溝部１２を設けることなく基体２の表面４に管状体を直接設けてもよい。

本実施の形態１に係るマイクロ流体デバイス１によれば、反応流路５が形成される領域を有効に活用することができ、反応効率を低下させることなく省スペース化を図ることが可能である。

（実施の形態２）
図３は、実施の形態２に係るマイクロ流体デバイス１の斜視図であり、図４（ａ）は実施の形態２に係るマイクロ流体デバイス１に含まれる基体２の上面図、図４（ｂ）はその下面図、図４（ｃ）はその側面図である。実施の形態１では、基体は貫通孔を有していないのに対して実施の形態２では、基体は貫通孔群を備える点で実施の形態２は実施の形態１と異なる。すなわち、実施の形態２では、図３に示すように、基体２は、直方体であり、一の主面（上面）６と他方の主面（下面）７とを有し、一の主面６から他方の主面７へ貫通する貫通孔２１が形成され、貫通孔２１が反応流路５の一部を構成している。

図５は、一の主面６から他方の主面７へ貫通する貫通孔２１を有する基体２の概略図である。図５に示すように、複数の貫通孔２１が、一の主面６から他方の主面７まで貫通するように基体２に形成されている。貫通孔２１が２列に形成されることにより第１の貫通孔群２２と第２の貫通孔群２３とが形成されている。第１の貫通孔群２２及び第２の貫通孔群２３に含まれる貫通孔２１同士の間隔Ｓは、特に限定されるものではなく、反応流路５内を流通する被反応物質の反応効率、反応時間、必要本数等に基づいて適宜決定することができる。貫通孔２１同士の間隔Ｓは等間隔である必要はないが等間隔であることが好ましい。また、第１の貫通孔群２２に含まれる貫通孔２１と第２の貫通孔群２３に含まれる貫通孔２１とは互いに違いに形成されていることが好ましい。ここで、「貫通孔２１が互い違いに形成されている」とは、第１の貫通孔群２２に含まれる貫通孔２１が第２の貫通孔群２３に含まれる貫通孔２１に対して基体長手方向Ａに関してずれている状態を意味する。図５に示すように、貫通孔２１が等間隔に形成された第１の貫通孔群２２と第２の貫通孔群２３とを一定距離ずらして互い違いに形成することにより、反応流路５を螺旋状に形成しやすくなるとともに、反応流路５を温度調節装置３に対して均等に配置することができ、均熱性を得ることができる。

また、第１の貫通孔群２２又は第２の貫通孔群２３に含まれる貫通孔２１の数は特に限定されるものではなく反応流路５内を流通する被反応物質の反応効率、反応時間等に基づいて適宜決定することができる。例えば、被反応物質の反応効率等を増加させる場合は、第１の貫通孔群２２及び第２の貫通孔群２３に含まれる貫通孔２１の数を増やし、反応流路群１０を構成する各反応流路の数を増加させる。一方、被反応物質の反応効率等を減少させる場合は、第１の貫通孔群２２及び第２の貫通孔群２３に含まれる貫通孔２１の数を減らし、反応流路群１０を構成する各反応流路の数を減少させる。本実施の形態２では、第１の貫通孔群２２に１０個の貫通孔２１が形成されるとともに、第２の貫通孔群２３にも１０個の貫通孔２１が形成されている。第１の貫通孔群２２の一端側に注入口２４が形成され、第２の貫通孔群２３の他端側に排出口２５が形成されている。図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、一の反応流路５が、注入口２４から出発して基体２の上面６を伝って第２の貫通孔群２３に含まれる一番目の貫通孔２１Ａを通り、さらに基体２の下面７を伝って第１の貫通孔群２２に含まれる１番目の貫通孔２１Ａを通過する。その後、基体２の上面６を伝って第２の貫通孔群２３に含まれる２番目の貫通孔２１Ｂを通過する。さらにその後、基体２の下面７を伝って第１の貫通孔群２２に含まれる２番目の貫通孔２１Ｂを通過し、その後、基体２の上面６を伝って第２の貫通孔群２３に含まれる３番目の貫通孔２１Ｃを通過する。・・・さらにその後、基体２の下面７を伝って第１の貫通孔群２２に含まれるｎ番目の貫通孔を通過し、その後、基体２の上面６を伝って第２の貫通孔群２３に含まれる（ｎ＋１）番目の貫通孔を通過する（ｎは２〜９）。・・・さらに、基体２の下面７を伝って第１の貫通孔群２２に含まれる１０番目の貫通孔２１Ｊを通過し、その後、基体２の上面６を伝って第２の貫通孔群２３に含まれる１０番目の貫通孔２１Ｊから基体２の上面６を伝って排出口２５へ至る。このように構成することにより、基体２の上面６及び下面７を有効に利用することが可能となり、基体２の体積を増加させることなく反応流路５が形成される面積を増加させることができる。換言すれば、反応流路５が形成される面積を減少させることなく基体２の体積を減少させること、すなわち省スペース化を図ることが可能となる。第１の貫通孔群２２又は第２の貫通孔群２３に含まれる貫通孔２１同士の間隔Ｓは一定であってもよいが、異なっていても良い。貫通孔２１同士の間隔Ｓを一定とすることにより均熱性を向上させることができる。

本実施の形態２に係るマイクロ流体デバイス１によれば、上記同様、反応流路５が形成される領域を有効に活用することができ、反応効率を低下させることなく省スペース化を図ることが可能である。

（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３に係るマイクロ流体デバイス１の斜視図である。本実施の形態３では、図６に示すように、基体２は、円柱であり、一の反応流路５が基体２を構成する表面４を周回するように螺旋状に配置されている。このように構成することにより、一の反応流路５を円柱の側面に周回させれば基体２の表面４に反応流路群１０を形成することができるため、反応流路群１０の形成が容易となる。

本実施の形態３において、温度調節装置３の形状は、特に限定されるものではないが、図６に示すように、各温度調節装置３は、円柱状の基体２の側面に沿って、基体２から温度調節装置３までの距離が一定となるような形状を有することが好ましい。このように構成することにより、円柱状の基体２表面に形成された反応流路群１０を均一に加熱することが可能となる。勿論、基体２が円柱である場合であっても、図１、図３に示されるような直方体状の温度調節装置３を用いてもよく、上述のように、温度調節装置３の形状は特に限定されるものではない。

また、温度調節装置３の数は、全実施の形態を通じて２つに限定されるものではなく、３以上であってもよい。より多くの温度調節装置３を用いることにより、様々な温度で加熱することが可能となるため、制御性がさらに良好となる。

実施の形態３に係るマイクロ流体デバイス１によれば、上記同様、反応流路５が形成される領域を有効に活用することができ、反応効率を低下させることなく省スペース化を図ることが可能であるとともに、基体２が円柱であるため反応流路群１０の形成が容易となる。

（実施の形態４）
図７は、本実施の形態４のマイクロ流体デバイス１の分解斜視図である。実施の形態４では、図７に示すように、基体２と温度調節装置３との間に保護部材１３が配置されている。基体２と第１の温度調節装置３との間に第１の保護部材１３が配置され、基体２と第２の温度調節装置３との間に第２の保護部材１３が配置されている。基体２の上面６及び下面７には上部開口して複数の溝部１２が平行に形成されている。上述したように、第１の貫通孔群２２及び第２の貫通孔群２３により基体２の上面６に設けられた溝部１２が基体２の下面７に設けられた溝部１２と導通している。そして、上述の第１及び第２の保護部材１３が基体２の上面６及び下面７に配置され、溝部１２が第１及び第２の保護部材１３により閉じられることにより、反応流路５が形成されている。

（実施の形態５）
図８は、本実施の形態５に係るマイクロ流体デバイス１の斜視図である。実施の形態１では、２つの温度調節装置３が用いられていたのに対して、実施の形態５では、図８に示すように、４つの温度調節装置３が用いられている。各温度調節装置３が、直方体状の基体２の上面６、下面７、左側面８、右側面９に対向して配置されるとともに、一の反応流路５が、基体２を構成する６つの長方形の面のうち周方向に連続する４つの面（上面６、下面７、左側面８、右側面９）を周回するように螺旋状に形成されている。このように一の反応流路５が基体２の外周に螺旋状に設けられることにより、基体２の上面６、下面７、左側面８、右側面９に反応流路群１０が形成されている。

実施の形態５によれば、一つの基体２に対して、４つの温度調節装置３が設けられているため、加熱を急速に行うことができるとともに、４つの異なる温度を利用することができるため、制御性が向上する。

（実施の形態６）
図９は、本実施の形態６に係るマイクロ流体デバイス１の斜視図である。実施の形態５では、基体２が角柱状に形成されているのに対して、実施の形態６では、図９に示すように、基体２が角柱状の中空体であり、一端側１５と他端側１６が開口している。さらに、実施の形態５では、反応流路５が基体２の４つの連続する外周を該連続する方向Ｂに螺旋状に周回するように形成されているのに対して、実施の形態６に係るマイクロ流体デバイス１では、図９に示すように、反応流路５が、所定の厚みを有する開口中空体の壁部をポロイダル方向Ｃに周回するように形成されている。すなわち、基体２を構成する開口中空体の壁部の断面を周回する方向に反応流路５が螺旋状に形成されている。図９においては、基体２として角柱状の中空体が用いられているが、円柱状の中空体であってもよい。また、基体２が円柱状の中空体である場合、温度調節装置３は、上記したように、円柱状の基体２の側面に沿って、基体２から温度調節装置３までの距離が一定となるような形状としてもよい。

上記構成によれば、反応流路５が開口中空体の壁部の断面を周回するように形成されているため、反応流路５が基体２から離脱しにくく、信頼性の高いマイクロ流体デバイス１を提供することができる。

（実施の形態７）
図１０は、実施の形態７に係るマイクロ流体デバイスの斜視図である。実施の形態６では、基体２を構成する開口中空体の内部には、温度調節装置３が設けられていないのに対して、実施の形態７では、図１０に示すように、基体２を構成する開口中空体の内部にも、温度調節装置３が設けられている。反応流路５は上記同様所定の厚みを有する開口中空体の壁部をポロイダル方向Ｃに周回するように形成されている。そして、開口中空状の基体の外周４つの面にそれぞれ温度調節装置３が設けられるとともに、上述のように、開口中空体の内部にも温度調節装置３が設けられている。このように、５つの温度調節装置３が基体２の近辺に設けられている。図１０においては、基体２として角柱状の中空体が用いられているが、円柱状の中空体であってもよい。また、基体が円柱状の中空体である場合、温度調節装置３は、上記したように、円柱状中空の基体の側面に沿って、基体から温度調節装置までの距離が一定となるような形状としてもよい。このように形成された温度調節装置３は複数に分離していてもよいし、一の中空円柱状体であってもよい。さらに、基体２の内部に設けられる温度調節装置３の形状は円柱状であってもよい。
実施の形態７のマイクロ流体デバイスによれば、一つの基体２に対して、５つの温度調節装置３が設けられているため、加熱を急速に行うことができるとともに、５つの異なる温度を利用することができるため、制御性が向上する。

１ マイクロ流体デバイス
２ 基体
３ 温度調節装置
４ 面方向が連続的若しくは不連続的に変化する表面
５ 反応流路

Claims (10)

1. 反応流路を有する基体と、
   前記基体に対向して配置された２以上の温度調節装置と、を備え、
   前記基体は、面方向が連続的若しくは不連続的に変化する表面を有し、前記表面における、面方向が異なる２以上の位置に対向して前記温度調節装置が配置されるとともに、前記温度調節装置と前記基体との間に反応流路が配置、又は前記温度調節装置に対向して前記基体に反応流路が形成されており、
   前記基体は、一端側と他端側とが開口する中空体であり、一の反応流路が、該中空体の壁部の断面を周回する方向に螺旋状に形成されているマイクロ流体デバイス。
2. 前記基体は、直方体であり、一の反応流路が、前記基体を構成する表面を周回するように螺旋状に形成された請求項１記載のマイクロ流体デバイス。
3. 前記基体は、一の主面と他方の主面とを有し、前記一の主面から前記他方の主面へ貫通する貫通孔が形成され、該貫通孔が前記反応流路の一部を構成する請求項１又は２記載のマイクロ流体デバイス。
4. 前記基体は、円柱であり、一の反応流路が、前記基体を構成する表面を周回するように螺旋状に形成されている請求項１記載のマイクロ流体デバイス。
5. さらに、前記中空体の内部に温度調節装置を有する請求項１記載のマイクロ流体デバイス。
6. 前記基体と前記温度調節装置との間に保護部材が配置され、前記基体に開口して形成された溝部が前記保護部材により閉じられることにより、前記反応流路が形成されている請求項１〜５のいずれかに記載のマイクロ流体デバイス。
7. 二以上の温度調節装置がそれぞれ別々に温度調節可能である請求項１〜６のいずれかに記載のマイクロ流体デバイス。
8. 前記基体が、親水性の膜を形成可能な材料を含んで成り、少なくとも、前記反応流路の最表面に親水性の膜が形成されている請求項１〜７のいずれかに記載のマイクロ流体デバイス。
9. 前記親水性の膜を形成可能な材料がシリコンであり、少なくとも、前記反応流路の最表面にシリコン酸化膜が形成されている請求項８記載のマイクロ流体デバイス。
10. 前記反応流路が管状体により形成されている請求項１〜５のいずれかに記載のマイクロ流体デバイス。

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