WO2003071262A1 - Puce microchimique - Google Patents

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WO2003071262A1
WO2003071262A1 PCT/JP2003/001692 JP0301692W WO03071262A1 WO 2003071262 A1 WO2003071262 A1 WO 2003071262A1 JP 0301692 W JP0301692 W JP 0301692W WO 03071262 A1 WO03071262 A1 WO 03071262A1
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microchemical chip
fluid
sample
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PCT/JP2003/001692
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Toshikazu Hirota
Yasuko Yoshida
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Ngk Insulators, Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a micro chemical chip having at least one channel through which a fluid flows in a substrate.
  • This microchemical chip is configured by forming a minute channel on the surface of a substrate made of glass, quartz, or the like. By supplying a sample to the channel and moving it downstream, sample component separation, Biochemical experiments such as reaction, purification, and gene analysis can be performed on a chip.
  • this microchemical chip has the advantage that results can be obtained in a short time with a very small amount of sample compared to conventional experimental equipment.
  • a large pump is installed outside the substrate, and the sample is pushed or pulled by the large pump. Either the electroosmotic flow generated in the sample solvent by applying a voltage between the electrodes arranged at the entrance and exit of the channel, or the like.
  • the moving speed of the sample solution is generally several hundreds to several thousand picoliters / second in the case of a channel having a cross-sectional area of several hundreds to several thousand square microns, which is sufficiently satisfactory for high-speed inspection. is not.
  • a commercially available micropip is used to dispense the sample into an inlet with an opening of about several millimeters to several centimeters ⁇ .
  • the volume of a single dispensation is limited to a few hundred to several thousand nanoliters, and a more miniaturized injection method is also expected.
  • the present invention has been made in view of such problems, and has enabled the miniaturization of the chip, the improvement of the analysis accuracy of the sample, and the analysis of the sample regardless of the electric charge with high accuracy, thereby greatly shortening the inspection time.
  • An object of the present invention is to provide a microchemical chip that can be shortened and that can easily multiplex channels.
  • Another object of the present invention in addition to the above, is to provide a micro-sample that can be supplied from outside to achieve a further improvement in sample use efficiency, analysis accuracy, and analysis speed. It is to provide a chemical chip. Disclosure of the invention
  • the present invention relates to a microchemical chip having one or more channels through which a fluid flows in a substrate, comprising a pump unit upstream and / or downstream of the channel, wherein the pump unit is integrated with the substrate. It is characterized by being formed in a uniform manner.
  • the pump section is formed integrally with the base, the pump section can realize the pushing of the fluid into the channel or the drawing of the fluid from the channel. There is no need to install a pump. So As a result, miniaturization of the chip can be achieved.
  • the fluid can be moved by the pump part, it is possible to move the fluid without charge.
  • the test accuracy depends on the components of the sample (solute) and the state of the charge. There are no inconveniences such as being affected.
  • the said structure may have a valve part at least upstream of the said channel,
  • the said valve part may be integrally formed in the said base
  • an electrode for electrophoresis of a fluid may be formed on an upstream side and / or a downstream side of the channel. This is preferably used when performing an electrophoresis test in which the test accuracy is not affected by the state of the sample (solute) components and charge. For example, if the sample to be tested (solute) is negatively charged DNA or protein, the direction of electrophoresis is reversed from the direction of movement by the pump section, so that the amount of fluid movement relative to the sample can be controlled more finely. Inspection accuracy can be improved. In other words, by making the electrode in the direction of movement of the fluid by the pump unit negative, a force is exerted on the sample itself in the direction opposite to the flow (positive electrode), and the separation ability is improved.
  • the fluid itself has polarity, adjust the strength of the electric field applied between the electrodes. Therefore, in addition to the movement of the fluid by the pump, the movement by the electroosmotic flow occurs, and the movement of the fluid and the completion of the analysis are realized more effectively and at high speed.
  • the channel may include one or more sample channels through which one or more samples to be inspected respectively flow. This makes it possible to easily realize multiple channels.
  • the one or more sample channels may allow a corresponding sample and a transfer fluid to flow, respectively. This saves valuable or expensive samples, increases the efficiency of experiments, and provides a cost advantage.
  • the sample supplied to the channel and the sample supplied from another channel can be mixed.
  • the one or more sample channels may be provided with a sample supply unit for supplying a corresponding sample.
  • a sample supply unit for supplying a corresponding sample.
  • the channel may include a merging channel where one or more samples from the one or more sample channels merge. Reaction, analysis, etc., of the result of merging a large number of samples can be performed easily.
  • the channel includes one or more sample channels through which one or more samples to be inspected respectively flow, and one transport channel through which a transport fluid for transporting the sample flows. May be provided.
  • the channel is a merging channel where one or more samples from the one or more sample channels and a carrier fluid from the one carrier channel merge, or from the one or more sample channels.
  • a fluid mixed with at least one sample of It may have a merging channel where the carrier fluid from one carrier channel merges.
  • the one or more sample channels may each have a valve section before the merging channel.
  • a vibration generating section may be provided at the junction.
  • the joining efficiency of one or more samples at the joining part can be increased, and the mixing speed, biochemical reaction speed, inspection speed, etc. can be improved, while mixing and biochemical reactions can be performed more reliably.
  • the vibration generating portion may be formed on any one of the top surface, the flat surface, the side surface, and the entire peripheral surface as long as it is at least a part of the wall surface of the channel at the merging portion.
  • the one or more sample channels may cross each other, or the one or more sample channels and the one transport channel may cross each other, or the one or more sample channels. And the one transfer channel may cross each other.
  • a pump is provided for each channel, so that it is possible to control the drive timing of the pump, the suction of the pump, and the extruder for each channel, and to combine them. Mixing of samples in the section or transfer from one channel to the other is possible.
  • the one or more sample channels may each have a valve section before the crossing portion. Thereby, the movement of the valuable or expensive fluid to the crossover part can be arbitrarily and reliably adjusted by the valve part, and the movement of the sample from one channel to the other channel becomes more reliable.
  • a vibration generating section may be provided at the intersection.
  • the location where the vibration generating portion is formed may be any one of the top surface, the flat surface, the side surface, and the entire peripheral surface as long as it is at least a part of the wall surface of the channel of the intersection portion.
  • the said valve part may be made to have a heater which gives heat to a part of the said channel. This utilizes the change in flow path resistance due to the change in fluid viscosity due to heat.
  • the heat When the heat is applied to the heat and the portion of the channel corresponding to heat is heated, the heat generally lowers the viscosity of the fluid, causing the fluid to flow through the channel.
  • the power supply to the heater is stopped and the valve section is cooled, the viscosity of the fluid increases, and as a result, the flow resistance increases, and the flow of the fluid stops.
  • the flow of fluid can be controlled by turning on and off the heater, and it functions as a valve.
  • valve section may include a vibration generating section that applies vibration to a part of the channel. This utilizes the change in flow path resistance due to vibration. When vibration is applied to a part of the channel, the flow of the fluid stops because the flow resistance increases.
  • the location where the vibration generating portion is formed may be any of the top surface, the flat surface, the side surface, and the entire peripheral surface as long as it is at least a part of the channel wall surface.
  • the valve section may have a cavity communicating with the channel, and an actuation section for changing a volume of the cavity.
  • Configuring the valve section with the heater, vibration generation section, or actuator section described above can realize reliable operation with a simple and inexpensive structure compared to conventional mechanical valves, but also has excellent durability. ing.
  • the pump unit and the sample supply unit may include a nozzle, a cavity communicating with the channel, and a pump operation unit for changing a volume of the cavity.
  • the fluid in the cavity is flushed downstream, and As the capacity of the cavity expands or returns, upstream fluid will be drawn into the cavity. By repeating these operations sequentially, the fluid on the upstream side is sequentially flushed to the downstream side.
  • valve section includes a valve body disposed in a communication portion between the channel and the cavity, and a valve actuator section for operating the valve body to selectively open and close the communication portion.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a microphone-mouth chemical chip according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a sectional view showing the first pump unit.
  • FIG. 3 is a sectional view showing the second pump section.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a microphone-mouth chemical chip according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is a sectional view showing a third pump section.
  • FIG. 6 is a sectional view showing the fourth pump unit.
  • FIG. 7 is a perspective view showing a microphone-mouth chemical chip according to the third embodiment.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a supply unit main body of the sample supply unit.
  • FIG. 9 is a perspective view showing a microphone-mouth chemical chip according to the fourth embodiment.
  • FIG. 10 is a perspective view showing a modification of the microchemical chip according to the fourth embodiment.
  • FIG. 11 is a perspective view showing a microchemical chip according to the fifth embodiment.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating a configuration of the vibration generating unit.
  • FIG. 13 is a perspective view showing a microchemical chip according to the sixth embodiment.
  • FIG. 14 is a sectional view showing the first check valve.
  • FIG. 15 is a sectional view showing the second check valve.
  • FIG. 16 is a perspective view showing a microchemical chip according to the seventh embodiment.
  • FIG. 17 is a perspective view showing a microchemical chip according to the eighth embodiment.
  • FIG. 18 is a perspective view showing a microchemical chip according to a ninth embodiment.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view showing the first valve section.
  • FIG. 20 is a sectional view showing the second valve portion.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view showing the third valve section.
  • a microchemical chip 1 OA according to the first embodiment has a plate-like substrate 12, and is formed on the surface of the substrate 12, and is formed of a transparent glass plate. Is closed and has one channel 14 through which fluid flows. At the beginning of channel 14, a fluid reservoir 16 for storing fluid is formed in communication with channel 14, and at the end of channel 14, fluid outlet 18 is communicated with channel 14. It is formed.
  • Examples of the fluid include only a solution in which a sample (solute) to be inspected is dissolved or dispersed, or a combination of a sample solution to be inspected and a transport fluid.
  • a sample solute
  • a transport fluid By using a carrier fluid in addition to the sample, expensive samples can be saved.
  • nucleic acids for example, nucleic acids, proteins, saccharides, cells, and complexes thereof can be used.
  • Nucleic acids are DNA and / or fragments or amplified, cDNA and / or fragments or amplified, RNA or antisense RNA and / or fragments or amplified, chemically synthesized DNA or Examples include amplified or chemically synthesized RNA or amplified.
  • Proteins include antigens, antibodies, lectins, adhesins, receptors for biologically active substances, and peptides.
  • the channel 14 is provided with, for example, a heat generation unit, a heating unit, a cooling unit, a pH adjustment unit, a laser irradiation unit, a radiation irradiation unit, and an inspection unit used for chemical analysis such as chromatography.
  • a heat generation unit for example, a heating unit, a cooling unit, a pH adjustment unit, a laser irradiation unit, a radiation irradiation unit, and an inspection unit used for chemical analysis such as chromatography.
  • the constituent material of the base 12 examples include glass, plastic, silicon (quartz), ceramics, and glass ceramics.
  • a glass material is preferable, for example, having an electrical insulating property in consideration of a case where an electrophoresis method is used, and in consideration of chemical durability and transparency.
  • the channel 14 on the surface of the substrate 12 can be formed by an etching method such as photolithography.
  • Glass materials are not only materials that can easily form channels 14, but also have resistance to weak acids and weak alkalis, as well as wettability, water repellency, surface tension, elution of glass components, glass surface polarity, and surface groups. It is preferable to select in consideration of factors that affect the fluid, such as.
  • glass material for example, many glasses such as a borosilicate type such as a white plate (BK 7), a La type, a Zr type, and a Ti type can be used.
  • an extrusion-type pump section 22 is provided on the base 12 upstream of the channel 14, in FIG. 1, in the vicinity of the fluid storage section 16 in the channel 14. It is formed integrally.
  • the pump section 22 for example, first and second pump sections 22A and 22B can be used.
  • the first and second pump sections 22A and 22B will be described.
  • the details of the first pump section 22A are as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-3141481.
  • the first pump section 22A will be briefly described.
  • the pump section 2 2 A includes, for example, a casing 30 made of ceramic to which fluid is supplied, and one input valve 3 provided to face one surface of the casing 30. 2, one pump 3 4 and one output valve 36.
  • Each of the input valve 32, the pump 34 and the output valve 36 has an actuator section 38.
  • the casing 30 is formed by laminating a plurality of green sheets of zirconia ceramics and integrally firing them, and includes a partition plate 40 provided in contact with the surface of the base 12, and a partition plate 40. And a support member 44 provided between the partition plate 40 and the second base 42.
  • the first pump section 22A selectively forms a flow path on the back surface of the casing 30 through the selective movement of the input valve 32, the pump 34, and the output valve 36 in the approaching and separating directions. By controlling the flow of the fluid.
  • the partition plate 40 is formed with an inlet hole 46 for supplying a fluid and a discharge hole 48 for discharging the fluid, and between the inlet hole 46 and the discharge hole 48.
  • the input valve 32, the pump 34 and the output valve 36 are arranged in a horizontal direction.
  • cavities 50 for forming vibrating portions at positions corresponding to the input valve 32, the pump 34, and the output valve 36, respectively.
  • Each space 50 is communicated with the outside through a small-diameter through hole 52 provided in the end face of the second base 42.
  • the portion where the void 50 is formed is made thin, and the other portion is made thick.
  • the thin portion has a structure that is susceptible to vibrations due to external stress, and functions as the vibrating portion 54.
  • the portion other than the void 50 functions as the fixed portion 56 that supports the vibrating portion 54. .
  • a plurality of columns are interposed in the vicinity of the actuator section 38 to maintain rigidity. Further, in this example, the rigidity is maintained also by the support member 44 of the casing 30.
  • Each actuator section 38 includes a vibrating section 54 and a fixed section 56, and a shape maintaining layer 60 such as a piezoelectric electrostrictive layer or an antiferroelectric layer formed on the vibrating section 54, An operating portion 66 having an upper electrode 62 and a lower electrode 64 formed on the upper and lower surfaces of the shape maintaining layer 60 is provided.
  • the first pump section 22A has a displacement transmitting section 68.
  • the displacement transmitting portion 68 is formed on each of the actuating portions 38 and transmits the displacement of each of the actuating portions 38 in the direction of the rear surface of the casing 30.
  • the actuator section 38 of the input valve 32 When sending to the downstream side of A, the actuator section 38 of the input valve 32 is driven, and the end face of the displacement transmission section 68 corresponding to the input valve 32 is separated from the partition plate 40, After that, the actuator section 38 of the pump 34 is driven, and the displacement transmission section 68 is driven.
  • the actuator section 38 of the pump 34 By separating the end face corresponding to the pump 34 from the partition plate 40, the fluid on the upstream side flows toward the pump 34 via the input valve 32.
  • the actuator portion 38 of the input valve 32 is driven to bring the end face of the displacement transmitting portion 68 corresponding to the input valve 32 into contact with the partition plate 40, and then the output valve 36
  • the actuator portion 38 of the displacement transmission portion 68 By driving the actuator portion 38 of the displacement transmission portion 68, the end face corresponding to the output valve 36 is separated from the partition plate 40, and further, the actuator portion 38 of the pump 34 is moved.
  • the fluid flows toward the output valve 36 by being driven to bring the end face corresponding to the pump 34 of the displacement transmitting section 68 into contact with the partition plate 40.
  • the fluid that was on the upstream side of the first pump section 22 A (in this case, the fluid storage section 16) becomes downstream of the first pump section 22 A, that is, the channel. It flows sequentially toward the downstream side of the rule 14.
  • the second pump section 22 B is provided with a partition plate 70 provided in contact with the surface of the base 12, and a vibration provided in opposition to the partition plate 70. It has a plate 72 and a support member 74 provided between the partition plate 70 and the diaphragm 72.
  • the partition plate 70, the diaphragm 72, and the support member 74 can be configured by stacking a plurality of zirconium aceramic green sheets and integrally firing them.
  • An operating portion 76 is formed on the upper surface of the diaphragm 72.
  • the operating section 76 includes a shape holding layer 78 such as a piezoelectric electrostrictive layer or an antiferroelectric layer, and upper and lower surfaces of the shape holding layer 78. And an upper electrode 80 and a lower electrode 82 formed on the substrate.
  • the vibration plate 72 and the operating unit 76 constitute an actuator unit 84.
  • a cavity 86 through which fluid enters is formed in a portion of the lower portion of the diaphragm 72 corresponding to the operating portion 76. That is, the cavity 86 is partitioned by the partition plate 70, the diaphragm 72, and the support member 74, and communicates with the introduction hole 88 and the discharge hole 90 provided in the partition plate 70. ing.
  • the channel 14 of the base 12 has an input valve 92 and an output valve 94 at portions corresponding to the introduction hole 88 and the discharge hole 90.
  • the input valve 92 has an actuator part 96 and a conical displacement transmitting part 98 provided on the actuator part 96.
  • the actuator section 96 includes a cavity 100 formed in the base 12, a vibrating section 102 and a fixed section 104 formed by forming the cavity 100, and a vibrating section 1. It is configured to have an operating part 106 formed on the element 02.
  • the output valve 94 has an actuator section 108 and a conical displacement transmitting section 110 provided on the actuator section 108.
  • the displacement transmitting portion 98 of the input valve 92 closes and opens the introduction hole 88 by the vertical displacement operation of the actuator portion 96 in the input valve 92, and the output valve 9
  • the displacement transmitting portion 110 of the output valve 94 closes and opens the discharge hole 90 due to the vertical movement of the actuator portion 108 in FIG.
  • the fluid upstream of the second pump section 22B is guided into the cavity 86 through the input valve 92 and the inlet hole 88, and is driven by the actuator section 84.
  • the fluid in the cavity 86 is caused to flow downstream via the discharge hole 90 and the output valve 94 by the volume change of the cavity 86.
  • the pump section is located upstream of channel 14
  • the fluid can be pushed and moved into the channel 14 with the same size as the conventional microchemical chip.
  • the viscosity of the fluid can be moved to a high viscosity fluid of about 100,000 centiboise, and the moving speed can be realized from 10 pico-liter to 10 micro-liter.
  • the microchemical chip 10B according to the second embodiment has substantially the same configuration as the above-described microchemical chip 1OA, but the downstream side of the channel 14, 4 differs from the channel 14 in that a pump section 22 of a suction pump is formed integrally with the base 12 near the fluid discharge section 18.
  • the pump section 22 includes the first and second pump sections 22 A and 22 B described above. In addition, the following third and fourth pump sections 22C and 22D can also be used.
  • the pump section 22 C includes a partition plate 120 provided in contact with the surface of the base 12, and a diaphragm 1 22 provided opposite to the partition plate 120. And a support member 124 provided between the partition plate 120 and the diaphragm 122.
  • the partition plate 120, the diaphragm 122, and the support member 124 can be formed by laminating a plurality of zirconium ceramic green sheets and integrally firing them.
  • An operating portion 126 is formed on the upper surface of the diaphragm 122.
  • the operating section 126 has a shape holding layer 128 such as a piezoelectric Z electrostrictive layer or an antiferroelectric layer, and the shape holding layer 122. It has an upper electrode 130 and a lower electrode 132 formed on the upper and lower surfaces of the substrate.
  • the actuator 122 is constituted by the diaphragm 122 and the operating part 126.
  • a cavity 136 for allowing fluid to enter is formed.
  • the cavity 1 36 is divided by the partition plate 120, the diaphragm 122, and the support member 124, and the introduction holes 1 38 provided in the partition plate 120 and the discharge holes are formed. It communicates with hole 1 39.
  • the actuator 1 34 is driven to drive the cavity 1 3 6
  • the fluid in the cavity 1 36 is flushed to the downstream side by driving the actuator 1 34
  • the side fluid is directed into the cavity 1 36.
  • the fourth pump section 2 2D is provided with a partition plate 140 provided in contact with the surface of the base 12, and provided so as to face the partition plate 140. And a side wall 144 provided between the partition plate 140 and the upper plate 142.
  • the side wall 144 is made of a piezoelectric electrostrictive body or an antiferroelectric material.
  • an electrode film is formed on the side wall 144. By applying a voltage to this electrode film and applying an electric field to the side wall, the side wall 144 can be changed according to the strength of the electric field. To expand and contract vertically.
  • the portion surrounded by the partition plate 140, the side wall 144, and the upper plate 142 is formed as a cavity 144 for a fluid to enter, and is provided on the partition plate 140. It communicates with the inlet hole 148 and the outlet hole 150.
  • the diameter of the introduction hole 148 is set to be smaller toward the cavity 146, and the opening diameter of the channel 14 is set to be larger than the opening diameter of the cavity 146.
  • the diameter of the discharge hole 150 is set larger toward the cavity 144, and the opening diameter on the channel 14 side is set smaller than the opening diameter on the cavity 144 side.
  • the inlet hole 148 has a structure in which the fluid on the upstream side can easily enter the cavity 144 through the inlet hole 148, and the fluid in the cavity 146 does not easily exit through the inlet hole 148.
  • the discharge hole 150 the fluid in the cavity 144 easily flows to the downstream side through the discharge hole 150, and the fluid in the downstream side hardly enters the cavity 144 through the discharge hole 150. It has a structure.
  • microchemical chip 10 B the microchemical chip 10
  • the pump section 22 of the microchemical chip 10B is Since it does not have a valve structure, the fluid cannot be pushed out, and as in the embodiment, the downstream side of the fluid is the atmosphere and the upstream side is operated as a suction pump with the fluid being filled.
  • the fluid that can be moved is a fluid with a viscosity of up to about 1000 centimeter-boise, and a moving speed of 1 picoliter / second to a maximum of 10 microliter seconds has been realized.
  • Experiments and analyzes using microchemical chips 1OA and 10B have made it possible to improve the analysis accuracy of fluids and to enable biochemical analysis of fluids without charge. did it.
  • microchemical chip 10C according to a third embodiment will be described with reference to FIG.
  • This microchemical chip 10C has substantially the same configuration as the microchemical chip 10B described above, except that a sample supply section 16O for supplying a sample to the channel 14 is provided. .
  • the sample supply section 160 includes a supply section main body 162 formed on a part of the channel 14 having an opening on the upper surface, and a sample storage section formed on the surface of the base 12. And a sample channel for guiding the sample from the sample storage section to the supply section main body.
  • the supply unit main body 162 has a ceramic casing 170 formed on the surface of the base body 12, and the casing 170 has a plurality of casings.
  • the first and second cavities 17 2 and 17 4 which are formed by laminating green sheets of zirconia ceramics and integrally firing and temporarily storing the sample from the sample channel 16 6, And a communication hole 176 communicating between the second cavities 172 and 174 and a sample discharge hole 178 formed toward the opening of the channel 14.
  • the supply unit main body 162 has an actuator unit 177 that vibrates the casing 170 and changes the volume of the second cavity 174.
  • the second cavity 1 74 is composed of a lower plate 180 on which a sample discharge hole 1 78 and a communication hole 1 76 are formed and an upper plate 1 84 located on the second cavity 1 74 (vibration). Plate) and a side plate 182 disposed between the lower plate 180 and the upper plate 184.
  • the outer part 1 77 of the box is formed on the surface of the upper plate 18 4.
  • the sample in the first cavity 1 72 passes through the communication hole 1 76
  • the sample is guided into the second cavity 1 74, and the sample in the sample storage section 16 4 is further guided into the first cavity 17 2 via the sample channel 16 6.
  • the sample in the sample supply section 160 is sequentially supplied to the channel 14.
  • the size of the supply unit body 16 2 is selected depending on the overall size of the microchemical chip, the type of sample to be handled, etc., but the size of the second cavity 1 74 is 3 mm in height and 0 mm in width. If the diameter of the sample discharge hole 1178 and the communication hole 1776 is 0.07 mm, the sample viscosity is 2 mm and the sample viscosity is 2 mm. Is supplied in 100 picoliters.
  • the sample supply unit 160 can set the supply timing and supply amount of the sample to the channel 14 arbitrarily in picoliter units. It was possible to provide a microchip mouth chemical chip 10C capable of further improving the sample use efficiency, the analysis accuracy, and the speed of the analysis at a reduced cost.
  • the pump section 22 is not always necessary, and the movement of the fluid in the channel 14 may be performed by using a conventional external pump or electroosmotic flow.
  • microchemical chip 10D according to a fourth embodiment will be described with reference to FIG.
  • this microchemical chip 10D has substantially the same configuration as the above-described microchemical chip 1OA, but has two fluid reservoirs (a first fluid reservoir 16A and a second fluid reservoir 16A). And 16B), and a pump section 22 is formed near each of the fluid storage sections 16A and 16B. Pump section 2
  • the first and second pump sections 22A and 22B shown in FIGS. 2 and 3 can be used.
  • the microchemical chip 10D includes a first channel 14a for sending the fluid of the first fluid storage section 16A to the downstream side, and a second fluid storage section.
  • a second channel 14 b that sends the 16 B fluid downstream; and a merging channel 14 where the two types of fluids sent through the first and second channels 14 a and 14 b merge.
  • the transport fluid may be supplied to the second fluid storage section 16B.
  • the transfer fluid was transferred by the pump section 22 installed in the second channel 14b.
  • three fluid reservoirs 16 A to 16 C are provided on the surface of the base 12, By providing the third channels 14a to 14c and the merging channel 14, different samples are supplied to the first and second channels 14 & and 14b, respectively, and the third channel 14c By supplying the carrier fluid to the sample, it is possible to easily check the results after the merging of different samples while saving valuable or expensive samples.
  • four or more channels and one or more merging channels may be provided.
  • the microchemical chip 10E according to the fifth embodiment has substantially the same configuration as the above-described microchemical chip 10D, but generates vibration at the junction. It differs in having a part 190.
  • the vibration generating section 190 is provided above the converging portion of the channel 14, and includes a vibration plate 192 and an operating section 1 formed on the vibration plate 192.
  • 94 shape maintaining layer 1996, upper electrode 198 and lower electrode 199.
  • Upper electrode 1 98 and lower electrode 2 By applying an alternating voltage to 0, vibration can be easily generated at the junction.
  • the diaphragm 1992 is necessary to form the working part 1994 by firing integrally.However, in the case where the working part 194 is manufactured by forming electrodes on a bulk piezoelectric material, for example. Is not necessary, and the operating section 1994 may be directly attached to the channel 14. Further, the vibration generating section 190 may be installed on the side surface, the bottom surface, or the like, instead of being installed on the upper portion of the channel 14. In particular, when the base 12 is made of zirconia ceramics, the vibration generating section 190 may be formed integrally with the pump section 22 described above.
  • microchemical chip 10F according to a sixth embodiment will be described with reference to FIG.
  • this microchemical chip 10F has almost the same configuration as the above-mentioned microchemical chip 10B, but has two fluid reservoirs (first and second fluid reservoirs). 16B and 16B), and a check valve 210 is formed in the vicinity of each of the fluid storage sections 168 and 16B.
  • Any of the first to fourth pump units 22A to 22D shown in FIGS. 2 and 3 and FIGS. 5 and 6 can be used as the pump unit 22.
  • This microchemical chip 1OF also has a first channel 14a for sending the fluid of the first fluid storage section 16A to the downstream side, and a second channel for sending the fluid of the second fluid storage section 16B to the downstream side. It has two channels 14b and a merging channel 14 where two kinds of fluids sent through the first and second channels 14a and 14b merge.
  • check valve 210 As the check valve 210, a first check valve 210A shown in FIG. 14 or a second check valve 210B shown in FIG. 15 can be used. In the description of the check valve 210, description will be made assuming a configuration in which at least the lid plate 212 that closes at least the channels 14a and 14b is covered on the base body 12.
  • the first check valve 21 OA is connected to channels 14 a and And a valve body 2 14 provided in the valve body 14 b.
  • the valve body 2 14 includes an upper plate 2 16, a side wall 2 18 provided between the base 12 and the upper plate 2 16, and a conical shape provided on the upper plate 2 16. And a displacement transmission section 220. Further, a conical concave portion 222 is formed in a portion of the cover plate 212 corresponding to the displacement transmitting portion 220.
  • the side wall 218 is made of a piezoelectric electrostrictive body or an antiferroelectric material. Although not shown, an electrode film is formed on the side wall 218, and a voltage is applied to the electrode film to apply an electric field to the side wall 218. It expands and contracts up and down accordingly.
  • a negative electric field is applied to the side wall 218 to extend the side wall 218, thereby bringing the displacement transmitting portion 220 into contact with the inner surface of the concave portion 222, thereby stopping the flow of the fluid.
  • a positive electric field is applied to the side wall 2 18 to shrink the side wall 2 18, the displacement transmitting portion 220 is separated from the concave portion 222, so that the fluid flows through the channel 14 a ( 1 4 b).
  • valve body 230 provided in 4a and 14b.
  • the valve main body 230 has an actuator portion 232 and a conical displacement transmitting portion 234 provided on the actuator portion 232.
  • the actuator part 2 32 includes a cavity 2 36 formed in the base 12, a vibrating section 2 38 and a fixed section 240 formed by the formation of the cavity 2 36, and a vibrating section. It is configured to have an operating part 242 formed on 238.
  • the displacement transmitting portion 234 comes into contact with or separates from the concave portion 222 by the vertical displacement operation of the actuator portion 232 in the valve body 230, and the flow of the fluid stops or progresses. Will do.
  • a sample to be inspected and a transport fluid are supplied to the first fluid reservoir 16 A, and another fluid to be inspected is supplied to the second fluid reservoir 16 B.
  • a sample and a carrier fluid may be supplied.
  • biochemical analysis or the like of the result of merging (reaction, etc.) the two types of samples can be easily performed.
  • each check valve 2 1 0 the supply amount of the sample to each of the channels 14 & and 14 b can be arbitrarily adjusted, which is advantageous for improving the accuracy of the analysis and reducing the cost.
  • a sample to be inspected may be supplied to the first fluid storage unit 16A, and a transport fluid may be supplied to the second fluid storage unit 16B. Also in this case, the supply amount of the sample and the transport fluid to each channel 14a and 14b can be arbitrarily adjusted by the check valve 210.
  • microchemical chip 10G according to a seventh embodiment will be described with reference to FIG.
  • this microchemical chip 10G has almost the same configuration as the above-mentioned microchemical chip 10B, but has electrodes 250 and upstream and downstream of the channel 14. The difference is that 25 2 is formed.
  • one electrode 250 is formed near the fluid reservoir 16, and the other electrode 252 is formed near the upstream of the pump 22. If the sample to be inspected is a charged solute and has, for example, a negative charge, one electrode 250 is used as an anode (high potential electrode) and the other electrode 250 is used as a cathode. Then, the sample is electrophoresed in the direction opposite to the moving direction by the pump unit 22.
  • the electrode itself in the direction of fluid movement by the pump unit 22 is made positive, so that the sample itself is in the opposite direction to the flow (negative electrode). The force that was attracted to) worked, and sufficient separation capacity was secured.
  • this microchemical chip 1 OH has substantially the same configuration as the above-mentioned microchemical chip 10 B, but another channel 260 crossing the channel 14 is formed. In that the electrodes 250 and 250 are formed upstream and downstream of the another channel 260.
  • one electrode 250 is formed in the vicinity of the fluid reservoir 262, and the other electrode 252 is formed in the vicinity of the fluid outlet 2624. It is formed. If the sample to be inspected is a charged fluid and has, for example, a negative charge, one electrode 250 is used as a cathode (electrode having a low potential) and the other electrode 250 is used as an anode. Then, an electroosmotic flow is generated in the direction of the fluid discharge portion 264. By supplying a charged or unrelated sample to one channel 14 and a charged sample to the other channel 260, these samples are mixed at the crossing point, Further, by flowing the mixed fluid downstream of the channel 14 through the one channel 14, biochemical analysis can be performed on the mixed fluid.
  • the pump unit 2 is passed from the fluid reservoir 16 through the channel 14
  • the voltage applied to the electrodes is reversed while the pump section 22 is operating, so that the sample other than the sample supplied to the crossing section is Can be prevented from flowing out of the channel 14.
  • microchemical chip 10I according to a ninth embodiment will be described with reference to FIG.
  • this microchemical chip 10I has almost the same configuration as the above-mentioned microchemical chip 10F, but is provided on the first channel 14a through which the sample to be inspected flows. The difference is that a valve portion 300 is formed.
  • the carrier fluid A valve portion 300 is not formed in the flowing second channel 14b, but is formed only in the first channel 14a to which a valuable or expensive sample is supplied.
  • valve portion 300 for example, a first valve portion 300A shown in FIG. 19, a second valve portion 300B shown in FIG. 20, or a third valve portion shown in FIG. 300 C can be used.
  • the first valve portion 30OA includes, for example, a flow path resistor 302 made of ceramic and a heater 304 embedded in the flow path resistor 302. Have.
  • the first valve portion 30OA utilizes a change in flow path resistance due to a change in viscosity of the fluid due to heat.
  • the heater 304 When the heater 304 is energized and the portion of the first channel 14a corresponding to the flow path resistor 302 is in a heated state, the heat reduces the viscosity of the fluid. And the fluid flows through the first channel 14a.
  • the power supply to the heat sink 304 is stopped and the portion corresponding to the flow path resistor 302 is cooled, the viscosity of the fluid increases, and as a result, the flow resistance increases and the fluid The flow will stop.
  • the flow of the fluid can be controlled by energizing the heater 304 and stopping the energization, and functions as the valve unit 300.
  • the second valve section 300B has a vibration generating section 310 that applies vibration to a part of the first channel 14a.
  • the vibration generating section 3 10 is composed of a diaphragm 3 12 provided on the first channel 14 a and an operating section 3 1 4 (shape retaining layer 3 1 6) formed on the diaphragm 3 12. , An upper electrode 318 and a lower electrode 322). By applying an alternating voltage to the upper electrode 3 18 and the lower electrode 3 20, vibration can be easily generated in the first channel 14 a.
  • the second valve section 300B utilizes a change in flow path resistance due to vibration. When vibration is applied to a part of the first channel 14a, the flow of the fluid stops because the flow path resistance increases.
  • the third valve portion 300C has a casing 332 provided on a lid plate 330 that covers at least the first channel 14a. You. In the casing 3 3 2, the first channel 14 a, the inlet 3 3 4 and the outlet A cavity 3 3 8 communicating through 3 3 6 is formed.
  • an operating portion 3 4 0 shape retaining layer 3 4 2, upper electrode 3 4 4 and lower electrode 3 4 6) is formed, and an upper portion of the casing 3 3 2 (diaphragm 3 4 Together with 8), it functions as an actuary section 350.
  • the diameter of the inlet hole 3 3 4 is set to be larger toward the cavity 3 3 8, and the opening diameter on the first channel 14 a side is the cavity 3 3 8 It is set smaller than the opening diameter on the side.
  • the diameter of the discharge hole 3336 is set to be smaller toward the cavity 3338, and the opening diameter of the first channel 14a side is set to be larger than the opening diameter of the cavity 3338 side.
  • the inlet hole 334 has a structure in which the fluid in the cavity 338 easily applies pressure to the upstream fluid through the inlet hole 334, and the outlet hole 336 has the downstream fluid. Are configured to easily apply pressure to the fluid in the cavity 338 through the discharge holes 336.
  • two channels or three channels are merged, or two channels are crossed.
  • four or more channels are merged, or three or more channels are merged. This can be applied to the case where the channels are crossed.
  • the microchemical chip according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, but may adopt various configurations without departing from the gist of the present invention.
  • the substrate 12 may be formed of zirconia ceramics having low reactivity with the material of the actuator, from the viewpoint of being integrated with the pump unit 22 and the sample supply unit 160, and may be formed of a channel 14 May be made of a composite with zirconia ceramics, in which only the plate material closing the upper surface is made of glass.
  • the microchemical chip of the present invention it is possible to reduce the size of the chip, improve the analysis accuracy of the sample, analyze a sample having no charge, and easily multi-channel. Become.

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Description

明 細 書
マイクロ化学チップ 技術分野
本発明は、 本発明は、 基体に、 流体が流通される 1以上のチャネルを有するマ イク口化学チップに関する。 背景技術
近時、 手のひらサイズ （数センチ角） のチップを使って化学実験をするマイク 口化学チップの研究開発が進められている。
このマイクロ化学チップは、 ガラスや石英等で構成された基体の表面に微小な チャネルが形成されて構成され、 前記チャネルに試料を供給して下流側に移動さ せることで、 試料の成分分離、 反応、 精製、 遺伝子解析などの生化学実験をチッ プ上で行えるようにしたものである。
このマイクロ化学チップでの測定原理としては、 電気泳動、 フローサイトメト リー等の手法が知られている。
このマイクロ化学チップを使用することで、 従来の実験装置に比べ、 極少量の 試料で、 短時間に結果を得ることができるという利点がある。
ところで、 従来のマイクロ化学チップにおいて、 基体の表面に形成されたチヤ ネル内に試料を移動させる場合、 基体の外部に大型のポンプを設置し、 該大型の ポンプによる試料の押し込みあるいは試料の引き込みによって行うか、 あるいは チャネルの入出口に配置した電極間に電圧を印加することによって試料溶媒に発 生する電気浸透流等により行うようにしている。
大型のポンプを使用する場合は、 マイクロ化学チップを含む分析装置が大型と なり、 コストの上昇を招く。 また、 大型のポンプでは、 試料の移動速度をおおま かにしか調整できず、 分析精度の劣化、 高価な試料の使用効率の劣化につながる。 電気浸透流を用いる場合は、 通常電極間に電圧に数百ポルト Z c m程度の非常 に高い電場をかけねばならず、 装置の大型、 高価格化を招くと共に、 安全上取り 扱いに注意が必要である。 また、 クーロン力を利用し、 試料溶液全体が陰極に向 かって流れるため、 電気泳動検査等を行う場合、 検査対象の試料 （溶質） が負電 荷をもつ物質 （D N Aや蛋白質） などの場合はよいが、 正電荷をもつ物質や電荷 をもたない物質 （細胞など） の物質の場合は、 検査対象の移動度の差をつけにく く、 検査の分解能が劣化する問題がある。
さらに、 試料溶液の移動速度は、 一般的に数百〜数千平方ミクロンの断面積を もつチャネルの場合、 数百〜数千ピコリットルノ秒程度であり、 検査の高速化に は十分満足のいくものではない。
また、 従来のマイクロ化学チップにおいて、 外部からチャネル内に試料を供給 するには、 市販のマイクロピぺットを用いて数ミリ〜数センチ Φ程度の開口部を もった注入口に分注させているが、 一度の分注量は数百〜数千ナノリットル程度 の少量化が限界であり、 より微少化された注入法も期待されている。
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、 チップの小型化、 試 料に対する分析精度の向上、 電荷によらない試料の分析を高精度に可能とし、 検 査時間を大幅に短縮することができ、 チャネルのマルチ化が容易なマイクロ化学 チップを提供することを目的とする。
また、 本発明の他の目的は、 上記に加えて、 外部からより微量の試料を供給可 能にし、 試料の使用効率、 分析精度の更なる向上並びに分析の高速化を実現する ことができるマイクロ化学チップを提供することにある。 発明の開示
本発明は、 基体に、 流体が流通される 1以上のチャネルを有するマイクロ化学 チップにおいて、 前記チャネルの上流側及び/又は下流側にポンプ部を有し、 前 記ポンプ部は、 前記基体に一体的に形成されていることを特徴とする。
ポンプ部を前記基体に一体的に形成するようにしているため、 該ポンプ部によ つて、 流体のチャネルへの押し込みあるいは流体のチャネルからの引き込みを実 現させることができ、 基体の外部に大型のポンプを設置する必要がなくなる。 そ の結果、 チップの小型化を達成させることができる。
また、 大型のポンプでは流体の移動量をおおまかにしか調整することができな いが、 基体に一体的に形成されたポンプ部であれば、 調整可能な単位流量 （分解 能） がチャネルを流れる流体の量よりも少なくすることが可能となるため、 流体 の移動量を精度よく調整することができる。 そして、 流体の移動速度は、 ポンプ への駆動信号により自由に可変にすることができ、 数ピコリツトル Z秒〜数マイ クロリットル 秒が実現できる。 更に、 流体の移動のために数百ポルト Z c m程 度の非常に高い電場をかける必要はなく、 装置の大型化、 高価格化を避けること ができ、 安全上の取り扱いも容易になる。
しかも、 ポンプ部によって流体を移動させることができることから、 電荷をも たない流体も移動させることができることは勿論のこと、 電気泳動検査において、 試料 （溶質） の成分、 電荷の状態によって検査精度が左右されるなどの不都合は ない。
そして、 前記構成において、 前記チャネルの少なくとも上流側に弁部を有し、 前記弁部は前記基体に一体的に形成されていてもよい。 これにより、 貴重又は高 価な流体を取り扱う場合に、 該貴重又は高価な流体のチャネルへの供給量を弁部 によって任意に調整することができ、 試料の使用効率の向上、 コストの低廉化に 寄与させることができる。
また、 前記構成において、 前記チャネルの上流側及び/又は下流側に流体の電 気泳動のための電極を形成するようにしてもよい。 これは、 試料 （溶質） の成分、 電荷の状態によって検査精度が左右されることのない電気泳動検査を行う際に好 ましく採用される。 例えば、 検査対象の試料 （溶質） が負に荷電している D N A や蛋白の場合、 電気泳動の方向をポンプ部による移動方向と逆にすることで、 試 料に対する流体の移動量を更に細かく制御することができ、 検査精度を向上させ ることができる。 即ちポンプ部による流体の移動方向の電極を負にすることによ り、 試料自体は流れと逆の方向 （正極） に引き寄せられる力が働き、 分離能力が 向上する。
また、 流体自体が極性をもつ場合、 電極間にかける電場の強さを調整すること で、 ポンプによる流体の移動に加え、 電気浸透流による移動が発生し、 より効果 的、 かつ、 高速に流体の移動、 解析の完了が実現される。
検査対象の試料 （溶質） が正に荷電している場合は、 ポンプ部による流体の移 動方向の電極を正にすることにより、 試料自体は流れと逆の方向 （負極） に引き 寄せられる力が働き、 充分な分離能力が確保される。
また、 前記構成において、 前記チャネルは、 検査対象の 1以上の試料がそれぞ れ流通する 1以上の試料用チャネルを有するようにしてもよい。 これにより、 チ ャネルのマルチ化を容易に実現することができる。
また、 前記構成において、 前記 1以上の試料用チャネルは、 それぞれ対応する 試料と搬送用流体が流通するようにしてもよい。 これにより、 貴重又は高価な試 料の節約につながり、 実験の効率化を図ると共に、 コスト面で有利になる。 しか も、 試料の供給タイミングを調整することで、 当該チャネルに供給された試料と、 他のチャネルから供給された試料とを混合させることができる。
また、 前記構成において、 前記 1以上の試料用チャネルに、 それぞれ対応する 試料を供給するための試料供給部が設けられていてもよい。 これにより、 チヤネ ルへの微量 （ピコリットルレベル） な試料の供給タイミング及び供給量を任意に、 かつ、 精度よく設定することができ、 これは、 チャネル内での生化学反応等の微 細な制御が可能となり、 実験、 検査、 解析の精度向上、 検査時間の低減及びコス トの低廉化につながる。
また、 前記構成において、 前記チャネルは、 前記 1以上の試料用チャネルから の 1以上の試料が合流する合流チャネルを有するようにしてもよい。 多数の試料 を合流させた結果の反応、 分析等を容易に行うことができる。
また、 前記構成において、 前記チャネルは、 検査対象の 1以上の試料がそれぞ れ流通する 1以上の試料用チャネルと、 前記試料を搬送するための搬送用流体が 流通する 1つの搬送用チャネルとを有するようにしてもよい。
この場合、 前記チャネルは、 前記 1以上の試料用チャネルからの 1以上の試料 と前記 1つの搬送用チャネルからの搬送用流体とが合流する合流チャネル、 ある いは前記 1以上の試料用チャネルからの 1以上の試料が混合された流体と前記 1 つの搬送用チャネルからの搬送用流体とが合流する合流チャネルを有するように してもよい。 試料用チャネルと搬送用チャネルを別々に形成することで、 それぞ れの流体の物性に最適な形状、 材質等を選択することができ、 より効果的に貴重 又は高価な試料を節約した移動、 合流ができ、 実験の効率化を図ると共に、 コス 卜面で有利になる。
以上の構成において、 前記 1以上の試料チャネルは、 前記合流チャネルの前段 にそれぞれ弁部を有するようにしてもよい。 これにより、 合流部への貴重又は高 価な流体の移動を弁部によって任意に、 かつ、 確実に調整することができる。 ま た、 合流部分に振動発生部を有するようにしてもよい。 合流部分での 1以上の試 料の合流効率を高めることができ、 混合スピード、 生化学反応スピード、 検査ス ピード等を向上させる一方、 混合、 生化学反応をより確実に行うことができる。 尚、 振動発生部の形成箇所は合流部分のチャネルの壁面の少なくとも一部であれ ば、 上面、 平面、 側面、 周囲全面のいずれであってもよい。
また、 前記 1以上の試料用チャネルは互いに交叉していてもよいし、 前記 1以 上の試料用チャネルと前記 1つの搬送用チャネルとがそれぞれ互いに交叉、 ある いは前記 1以上の試料用チャネルの合流チャネルと前記 1つの搬送用チャネルと が互いに交叉していてもよい。 こうすることで、 1本のチャネル毎にポンプを有 していることになり、 ポンプの駆動タイミング、 ポンプの吸引、 押し出しカをチ ャネル別に制御することや、 組み合せることが可能となり、 交 ¾部での試料の混 合、 または一方のチャネルから他方のチャネルへの移動が可能になる。 また、 こ の場合、 前記 1以上の試料チャネルは、 前記交叉部分の前段にそれぞれ弁部を有 するようにしてもよい。 これにより、 交又部分への貴重又は高価な流体の移動を 弁部によって任意に、 かつ、 確実に調整することができ、 試料の一方のチャネル から他方のチャネルへの移動がより確実になる。 また、 交叉部分に振動発生部を 有するようにしてもよい。 この場合、 交叉部分での 1以上の試料の混合効率を高 めることができ、 生化学反応、 検査スピードを向上させることができる。 尚、 振 動発生部の形成箇所は交又部分のチャネルの壁面の少なくとも一部であれば、 上 面、 平面、 側面、 周囲全面のいずれであってもよい。 そして、 前記構成において、 前記弁部は、 前記チャネルの一部に対して熱を与 えるヒータを有するようにしてもよい。 これは、 熱による流体の粘度変化による 流路抵抗の変化を利用するものである。 ヒー夕に通電して、 チャネルのうち、 ヒ —夕に対応する部分が加熱された状態となっている場合は、 その熱によって一般 的に流体の粘度は低下し、 流体はチャネルを流れる。 一方、 ヒー夕への通電を停 止して、 弁部が冷却状態となると、 流体の粘度が上がり、 その結果、 流路抵抗が 上がって、 流体の流れは止まることになる。 つまり、 ヒー夕への通電、 通電停止 によって、 流体の流れを制御でき、 弁部として機能することになる。
また、 前記弁部は、 前記チャネルの一部に対して振動を付与する振動発生部を 有するようにしてもよい。 これは、 振動による流路抵抗の変化を利用するもので ある。 チャネルの一部に対して振動を付与すると、 流路抵抗が増すことから、 流 体の流れは止まる。 尚、 振動発生部の形成箇所はチャネルの壁面の少なくとも一 部であれば、 上面、 平面、 側面、 周囲全面のいずれであってもよい。
また、 前記弁部は、 前記チャネルと連通するキヤビティと、 前記キヤビティの 容積を可変にするァクチユエ一夕部とを有するようにしてもよい。 このような構 成によって、 ポンプ部と弁部のァクチユエ一夕の作動タイミングを同期させるこ と、 即ち、 ポンプ部によってチャネル内の流体が移動している際に、 ァクチユエ 一夕部の作動によってキヤビティの容積が減少したとき、 キヤビティ内の流体に は逆方向 （ポンプ部による流体の流れ方向とは逆方向） の流れを起こす力が働く タイミングでァクチユエ一夕を稼動させることで、 結果として、 弁部において流 体の流れを停止させることができる。
上記したヒータ、 振動発生部、 又はァクチユエ一夕部で弁部を構成することは、 従来の機械的弁に比べ、 簡単で安価な構造で確実な動作が実現できる一方、 その 耐久性においても優れている。
また、 前記ポンプ部、 及び前記試料供給部は、 ノズルと、 前記チャネルと連通 するキヤビティと、 前記キヤビティの容積を可変にするポンプ用ァクチユエ一夕 部とを有するようにしてもよい。 この場合、 ァクチユエ一夕部の作動によってキ ャビティの容量が減少したとき、 キヤビティ内の流体が下流側に押し流され、 キ ャビティの容量が拡大あるいは元に戻るとき、 上流側の流体がキヤビティ内に引 き寄せられることになる。 これらの動作が順次繰り返されることで、 上流側の流 体が順次下流側に押し流されることになる。
そして、 前記チャネルと前記ポンプ部のキヤビティとの間に弁部を有するよう にしてもよい。 この場合、 前記弁部は、 前記チャネルとキヤビティとの連通部分 に配された弁体と、 前記弁体を動作させて前記連通部分の開閉を選択的に行わせ る弁用ァクチユエ一夕部とを有して構成することができる。 これにより、 ポンプ による流体の移動がより簡便になり、 特に空のチャネルに流体を満たすことが容 易になる。 図面の簡単な説明
図 1は、 第 1の実施の形態に係るマイク口化学チップを示す斜視図である。 図 2は、 第 1のポンプ部を示す断面図である。
図 3は、 第 2のポンプ部を示す断面図である。
図 4は、 第 2の実施の形態に係るマイク口化学チップを示す斜視図である。 図 5は、 第 3のポンプ部を示す断面図である。
図 6は、 第 4のポンプ部を示す断面図である。
図 7は、 第 3の実施の形態に係るマイク口化学チップを示す斜視図である。 図 8は、 試料供給部の供給部本体の構成を示す断面図である。
図 9は、 第 4の実施の形態に係るマイク口化学チップを示す斜視図である。 図 1 0は、 第 4の実施の形態に係るマイクロ化学チップの変形例を示す斜視図 である。
図 1 1は、 第 5の実施の形態に係るマイクロ化学チップを示す斜視図である。 図 1 2は、 振動発生部の構成を示す断面図である。
図 1 3は、 第 6の実施の形態に係るマイクロ化学チップを示す斜視図である。 図 1 4は、 第 1の逆止弁を示す断面図である。
図 1 5は、 第 2の逆止弁を示す断面図である。
図 1 6は、 第 7の実施の形態に係るマイクロ化学チップを示す斜視図である。 図 1 7は、 第 8の実施の形態に係るマイクロ化学チップを示す斜視図である。 図 1 8は、 第 9の実施の形態に係るマイクロ化学チップを示す斜視図である。 図 1 9は、 第 1の弁部を示す断面図である。
図 2 0は、 第 2の弁部を示す断面図である。
図 2 1は、 第 3の弁部を示す断面図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明に係るマイクロ化学チップの実施の形態例を図 1〜図 2 1を参照 しながら説明する。
. まず、 第 1の実施の形態に係るマイクロ化学チップ 1 O Aは、 図 1に示すよう に、 板状の基体 1 2と、 該基体 1 2の表面に形成され、 透明なガラス板にて上面 が閉塞され、 流体が流通される 1つのチャネル 1 4を有する。 チャネル 1 4の始 端には、 流体が貯留される流体貯留部 1 6がチャネル 1 4に連通して形成され、 チャネル 1 4の終端には、 流体排出部 1 8がチャネル 1 4に連通して形成されて いる。
流体としては、 例えば検査対象の試料 （溶質） が溶解または分散した溶液のみ、 あるいは検査対象の試料溶液と搬送用流体との組合せが挙げられる。 試料に加え て搬送用流体を用いることで、 高価な試料を節約することができる。
なお、 試料としては、 例えば核酸類や蛋白質類、 糖類、 細胞、 及びその複合体 などを用いることができる。 核酸類は、 D N A及びまたはその断片もしくは増幅 されたもの、 c D N A及びまたはその断片もしくは増幅されたもの、 R N Aまた はアンチセンス R N A及びまたはその断片もしくは増幅されたもの、 化学合成さ れた D N Aもしくは増幅されたもの、 または、 化学合成された R N Aもしくは増 幅されたものなどが挙げられる。 蛋白質類は、 抗原、 抗体、 レクチン、 アドヘシ ン、 生理活性物質の受容体、 またはペプチドなどが挙げられる。
チャネル 1 4には、 例えばクロマトグラフィ等の化学分析に用いられる熱発生 部、 加熱部、 冷却部、 p H調整部、 レーザー照射部、 放射線照射部並びに検査部 等が設置される。 図 1の例では、 3種類の熱発生部 2 0 a〜2 0 cを設置した場 合を示す。
基体 1 2の構成材料は、 例えばガラス、 プラスチック、 シリコン （石英） 、 セ ラミックス、 ガラスセラミックスなどが挙げられる。 これらの材料のうち、 例え ば電気泳動法を用いる場合を考慮して電気絶縁性を有し、 化学的耐久性や透明性 等を考慮すると、 ガラス材料が好ましい。 基体 1 2の表面へのチャネル 1 4の形 成は、 フォトリソグラフィ等によるエッチング法を用いることができる。
ガラス材料は、 チャネル 1 4を形成することが容易な材料という観点のほか、 弱酸や弱アルカリ等に対する耐性や、 濡れ性、 撥水性、 表面張力、 ガラス成分の 溶出、 ガラス表面の極性、 表面基など、 流体に影響を与える要因を考慮して選択 することが好ましい。
ガラス材料としては、 例えば白板 （B K 7 ) 等のホウ珪酸系をはじめ、 L a系、 Z r系、 T i系等の多くのガラスを用いることができる。
そして、 この第 1の実施の形態においては、 チャネル 1 4の上流側、 図 1では、 チャネル 1 4のうち、 流体貯留部 1 6の近傍に押出しタイプのポンプ部 2 2が基 体 1 2に一体に形成されている。
ここで、 押出しタイプのポンプ部 2 2の一例について説明する。 このポンプ部 2 2としては、 例えば第 1及び第 2のポンプ部 2 2 A及び 2 2 Bを使用すること ができる。 以下、 第 1及び第 2のポンプ部 2 2 A及び 2 2 Bについて説明する。 第 1のポンプ部 2 2 Aの詳細は、 特開 2 0 0 0— 3 1 4 3 8 1号公報に記述さ れている通りであるが、 ここで、 簡単に説明すると、 この第 1のポンプ部 2 2 A は、 図 2に示すように、 流体が供給される例えばセラミック製のケーシング 3 0 と、 ケ一シング 3 0内の一方の面に対向して設けられた 1つの入力弁 3 2と、 1 つのポンプ 3 4と、 1つの出力弁 3 6とを有する。 これら入力弁 3 2、 ポンプ 3 4及び出力弁 3 6は、 それぞれァクチユエ一夕部 3 8を有する。
ケ一シング 3 0は、 複数枚のジルコ二アセラミックスのグリーンシートを積層 し、 一体焼成して構成され、 基体 1 2の表面に接して設けられた仕切り板 4 0と、 該仕切り板 4 0に対向して設けられた第 2の基体 4 2と、 これら仕切り板 4 0と 第 2の基体 4 2との間に設けられた支持部材 4 4とを有する。 この第 1のポンプ部 2 2 Aは、 入力弁 3 2、 ポンプ 3 4及び出力弁 3 6の選択 的な接近 ·離反方向の変位動作を通じてケーシング 3 0の裏面に流路を選択的に 形成することによって、 流体の流れを制御する。
また、 仕切り板 4 0には、 流体を供給するための導入孔 4 6と、 流体を排出す るための排出孔 4 8が形成され、 これら導入孔 4 6と排出孔 4 8との間に入力弁 3 2、 ポンプ 3 4及び出力弁 3 6が横方向に配列されている。
第 2の基体 4 2の内部には、 入力弁 3 2、 ポンプ 3 4及び出力弁 3 6に対応し た位置にそれぞれ振動部を形成するための空所 5 0が設けられている。 各空所 5 0は、 第 2の基体 4 2の端面に設けられた径の小さい貫通孔 5 2を通じて外部と 連通されている。
第 2の基体 4 2のうち、 空所 5 0の形成された部分が薄肉とされ、 それ以外の 部分が厚肉とされている。 薄肉の部分は、 外部応力に対して振動を受けやすい構 造となって振動部 5 4として機能し、 空所 5 0以外の部分は、 振動部 5 4を支持 する固定部 5 6として機能する。
また、 仕切り板 4 0と第 2の基体 4 2との間には、 ァクチユエ一夕部 3 8の近 傍において図示しない複数の支柱が介在され、 剛性が維持されている。 また、 こ の例では、 ケーシング 3 0の支持部材 4 4でも剛性が維持されている。
各ァクチユエ一夕部 3 8は、 振動部 5 4と固定部 5 6のほか、 振動部 5 4上に 形成された圧電 電歪層や反強誘電体層等の形状保持層 6 0と、 該形状保持層 6 0の上下面に形成された上部電極 6 2及び下部電極 6 4とを有する作動部 6 6を 具備する。
また、 この第 1のポンプ部 2 2 Aは変位伝達部 6 8を有する。 この変位伝達部 6 8は、 各ァクチユエ一夕部 3 8上に形成され、 かつ、 各ァクチユエ一夕部 3 8 の変位をケーシング 3 0の裏面の方向に伝達する。
そして、 この第 1のポンプ部 2 2 Aの上流側にある流体を第 1のポンプ部 2 2
Aの下流側に送る場合は、 入力弁 3 2のァクチユエ一夕部 3 8を駆動して、 変位 伝達部 6 8のうち、 入力弁 3 2に対応する端面を仕切り板 4 0から離間させ、 そ の後、 ポンプ 3 4のァクチユエ一夕部 3 8を駆動して、 変位伝達部 6 8のうち、 ポンプ 3 4に対応する端面を仕切り板 4 0から離間させることで、 上流側の流体 が入力弁 3 2を介してポンプ 3 4に向かって流れる。
その後、 入力弁 3 2のァクチユエ一夕部 3 8を駆動して、 変位伝達部 6 8のう ち、 入力弁 3 2に対応する端面を仕切り板 4 0に接触させ、 次いで、 出力弁 3 6 のァクチユエ一夕部 3 8を駆動して、 変位伝達部 6 8のうち、 出力弁 3 6に対応 する端面を仕切り板 4 0から離間させ、 更に、 ポンプ 3 4のァクチユエ一夕部 3 8を駆動して、 変位伝達部 6 8のうち、 ポンプ 3 4に対応する端面を仕切り板 4 0に接触させることで、 流体が出力弁 3 6に向かって流れる。
その後、 出力弁 3 6のァクチユエ一夕部 3 8を駆動して、 変位伝達部 6 8のう ち、 出力弁 3 6に対応する端面を仕切り板 4 0に接触させることで、 流体は排出 孔 4 8を通じてチャネル 1 4の下流側に流れ込むことになる。
上述の動作を順次繰返すことで、 第 1のポンプ部 2 2 Aの上流側 （この場合、 流体貯留部 1 6 ) にあった流体が第 1のポンプ部 2 2 Aの下流側、 即ち、 チヤネ ル 1 4の下流側に向かって順次流れていくこととなる。
次に、 第 2のポンプ部 2 2 Bは、 図 3に示すように、 基体 1 2の表面に接して 設けられた仕切り板 7 0と、 該仕切り板 7 0に対向して設けられた振動板 7 2と、 これら仕切り板 7 0と振動板 7 2との間に設けられた支持部材 7 4とを有する。 これら仕切り板 7 0、 振動板 7 2及び支持部材 7 4は、 複数枚のジルコ二アセラ ミックスのグリーンシートを積層し、 一体焼成して構成することができる。
振動板 7 2の上面には作動部 7 6が形成されている。 この作動部 7 6は、 上述 した第 1のポンプ部 2 2 Aと同様に、 圧電ノ電歪層や反強誘電体層等の形状保持 層 7 8と、 該形状保持層 7 8の上下面に形成された上部電極 8 0及び下部電極 8 2とを有する。 前記振動板 7 2と作動部 7 6にてァクチユエ一夕部 8 4が構成さ れる。
また、 振動板 7 2の下部のうち、 作動部 7 6に対応する部分には、 流体が入り 込むためのキヤビティ 8 6が形成されている。 つまり、 このキヤビティ 8 6は、 仕切り板 7 0と、 振動板 7 2と、 支持部材 7 4にて区画され、 仕切り板 7 0に設 けられた導入孔 8 8及び排出孔 9 0と連通している。 一方、 基体 1 2のチャネル 1 4内には、 前記導入孔 8 8及び排出孔 9 0に対応 した部分に、 入力弁 9 2及び出力弁 9 4を有する。
入力弁 9 2は、 ァクチユエ一夕部 9 6と該ァクチユエ一夕部 9 6上に設けられ た円錐状の変位伝達部 9 8を有する。 ァクチユエ一夕部 9 6は、 基体 1 2に形成 された空所 1 0 0と、 該空所 1 0 0の形成によって構成された振動部 1 0 2及び 固定部 1 0 4、 並びに振動部 1 0 2上に形成された作動部 1 0 6を有して構成さ れている。 出力弁 9 4も同様に、 ァクチユエ一夕部 1 0 8と該ァクチユエ一夕部 1 0 8上に設けられた円錐状の変位伝達部 1 1 0を有する。
そして、 入力弁 9 2におけるァクチユエ一夕部 9 6の上下方向の変位動作によ つて、 入力弁 9 2における変位伝達部 9 8が導入孔 8 8を閉塞、 開放することに なり、 出力弁 9 4におけるァクチユエ一夕部 1 0 8の上下方向の変位動作によつ て、 出力弁 9 4における変位伝達部 1 1 0が排出孔 9 0を閉塞、 開放することに なる。
従って、 この第 2のポンプ部 2 2 Bの上流側にある流体は、 入力弁 9 2及び導 入孔 8 8を介してキヤビティ 8 6内に導かれ、 ァクチユエ一夕部 8 4の駆動によ るキヤビティ 8 6の容積変化によってキヤビティ 8 6内の流体は、 排出孔 9 0及 び出力弁 9 4を介して下流側に流されることになる。
このマイクロ化学チップ 1 O Aにおいては、 チャネル 1 4の上流側にポンプ部
2 2を基体 1 2に一体的に形成するようにしているため、 従来のマイクロ化学チ ップと同じ大きさで、 チャネル 1 4への流体の押し込み、 移動を実現させること ができた。 また、 流体の粘度は 1 0万センチボイズ程度の高粘度流体まで移動可 能であり、 移動速度は 1 0ピコリツトル 秒から最大 1 0マイクロリツトルノ秒 が実現できた。
次に、 第 2の実施の形態に係るマイクロ化学チップ 1 0 Bは、 図 4に示すよう に、 上述したマイクロ化学チップ 1 O Aとほぼ同様の構成を有するが、 チャネル 1 4の下流側、 図 4では、 チャネル 1 4のうち、 流体排出部 1 8の近傍に吸引夕 イブのポンプ部 2 2が基体 1 2に一体に形成されている点で異なる。
ポンプ部 2 2としては、 上述した第 1及び第 2のポンプ部 2 2 A及び 2 2 Bの ほか、 以下に示す第 3及び第 4のポンプ部 2 2 C及び 2 2 Dも使用することがで きる。
第 3のポンプ部 2 2 Cの詳細は、 例えば特開 2 0 0 1 - 1 2 4 7 8 9号公報に 記述されている通りであるが、 ここで、 簡単に説明すると、 この第 3のポンプ部 2 2 Cは、 図 5に示すように、 基体 1 2の表面に接して設けられた仕切り板 1 2 0と、 該仕切り板 1 2 0に対向して設けられた振動板 1 2 2と、 これら仕切り板 1 2 0と振動板 1 2 2との間に設けられた支持部材 1 2 4とを有する。 これら仕 切り板 1 2 0、 振動板 1 2 2及び支持部材 1 2 4は、 複数枚のジルコ二アセラミ ックスのグリーンシートを積層し、 一体焼成して構成することができる。
振動板 1 2 2の上面には作動部 1 2 6が形成されている。 この作動部 1 2 6は、 上述した第 1のポンプ部 2 2 Aと同様に、 圧電 Z電歪層や反強誘電体層等の形状 保持層 1 2 8と、 該形状保持層 1 2 8の上下面に形成された上部電極 1 3 0及び 下部電極 1 3 2とを有する。 前記振動板 1 2 2と作動部 1 2 6にてァクチユエ一 タ部 1 3 4が構成される。
また、 振動板 1 2 2の下部のうち、 作動部 1 2 6に対応する部分には、 流体が 入り込むためのキヤビティ 1 3 6が形成されている。 つまり、 このキヤビティ 1 3 6は、 仕切り板 1 2 0と、 振動板 1 2 2と、 支持部材 1 2 4にて区画され、 仕 切り板 1 2 0に設けられた導入孔 1 3 8及び排出孔 1 3 9と連通している。
そして、 この第 3のポンプ部 2 2 Cの上流側にある流体を第 3のポンプ部 2 2 Cの下流側に送る場合は、 ァクチユエ一夕部 1 3 4を駆動して、 キヤビティ 1 3 6の容量を減少することで、 キヤビティ 1 3 6内の流体が下流側に押し流され、 ァクチユエ一夕部 1 3 4を駆動して、 キヤビティ 1 3 6の容量を拡大あるいは元 に戻したとき、 上流側の流体がキヤビティ 1 3 6内に導かれる。 これらの動作が 順次繰り返されることで、 上流側の流体が順次下流側に流れることになる。
次に、 第 4のポンプ部 2 2 Dは、 図 6に示すように、 基体 1 2の表面に接して 設けられた仕切り板 1 4 0と、 該仕切り板 1 4 0に対向して設けられた上板 1 4 2と、 これら仕切り板 1 4 0と上板 1 4 2との間に設けられた側壁 1 4 4とを有 する。 側壁 1 4 4は、 圧電 電歪体や反強誘電体にて構成されている。 また、 側壁 1 4 4には、 図示しないが、 電極膜が形成され、 この電極膜に電圧を印加して、 側 壁に電界をかけることで、 側壁 1 4 4は、 電界の強さに応じて上下方向に伸縮す る。
また、 仕切り板 1 4 0と、 側壁 1 4 4と、 上板 1 4 2にて囲まれる部分は、 流 体が入り込むためのキヤビティ 1 4 6として形成され、 仕切り板 1 4 0に設けら れた導入孔 1 4 8及び排出孔 1 5 0と連通している。
導入孔 1 4 8は、 その径がキヤビティ 1 4 6に向かって小さく設定され、 チヤ ネル 1 4側の開口径はキヤビティ 1 4 6側の開口径よりも大きく設定されている。 同様に、 排出孔 1 5 0は、 その径がキヤビティ 1 4 6に向かって大きく設定され、 チャネル 1 4側の開口径はキヤビティ 1 4 6側の開口径よりも小さく設定されて いる。 つまり、 導入孔 1 4 8は、 上流側の流体が該導入孔 1 4 8を通じてキヤビ ティ 1 4 6に入りやすく、 キヤビティ 1 4 6内の流体が該導入孔 1 4 8を通じて 出にくい構造とされ、 排出孔 1 5 0は、 キヤビティ 1 4 6内の流体が該排出孔 1 5 0を通じて下流側に出やすく、 下流側の流体が該排出孔 1 5 0を通じてキヤビ ティ 1 4 6内に入りにくい構造とされている。
そして、 この第 4のポンプ部 2 2 Dの上流側にある流体を第 4のポンプ部 2 2 Dの下流側に送る場合は、 側壁 1 4 4に例えば正の電界をかけて該側壁 1 4 4を 縮めることによって、 キヤビティ 1 4 6の容量を減少させることで、 キヤビティ 1 4 6内の流体が下流側に押し流され、 側壁 1 4 4に例えば負の電界をかけて該 側壁 1 4 4を伸ばすことによって、 キヤビティ 1 4 6の容量を拡大あるいは元に 戻すことで、 上流側の流体がキヤビティ 1 4 6内に引き寄せられることになる。 これらの動作が順次繰り返されることで、 上流側の流体が順次下流側に流れるこ とになる。
このマイクロ化学チップ 1 0 Bにおいても、 上述したマイクロ化学チップ 1 0
Aと同様に、 小型化が実現できると共に、 ポンプ部 2 2が弁構造をもたないため、 簡便で安価に構成することができ、 耐久性がより向上したマイク口化学チップ 1 0 Bが実現できた。 尚、 このマイクロ化学チップ 1 0 Bにおけるポンプ部 2 2は、 弁構造をもたないため、 流体を押し出すことはできず、 実施の形態のごとく流体 の下流側が大気であり、 上流側が流体で満たされた状態で吸引ポンプとして稼動 する。 移動できる流体は粘度が 1 0 0 0センチボイズ程度までの流体であり、 移 動速度は 1ピコリットル/秒〜最大 1 0マイクロリツトル 秒が実現できた。 そ して、 マイクロ化学チップ 1 O A及び 1 0 Bを用いて、 実験、 解析を行ったとこ ろ、 流体に対する分析精度の向上、 電荷をもたない流体の生化学分析を可能にす ることができた。
次に、 第 3の実施の形態に係るマイクロ化学チップ 1 0 Cについて図 7を参照 しながら説明する。
このマイクロ化学チップ 1 0 Cは、 上述したマイクロ化学チップ 1 0 Bとほぼ 同様の構成を有するが、 チャネル 1 4に試料を供給するための試料供給部 1 6 0 が設けられている点で異なる。
この試料供給部 1 6 0は、 チャネル 1 4の一部が上面に開口部を有し、 その上 に形成された供給部本体 1 6 2と、 基体 1 2の表面に形成された試料貯留部 1 6 4と、 該試料貯留部 1 6 4から供給部本体 1 6 2に試料を導くための試料用チヤ ネル 1 6 6とを有する。
供給部本体 1 6 2は、 図 8に示すように、 基体 1 2の表面に形成されたセラミ ック製のケ一シング 1 7 0を有し、 該ケ一シング 1 7 0は、 複数枚のジルコニァ セラミックスのグリーンシートを積層し、 一体焼成して構成され、 内部に試料用 チャネル 1 6 6からの試料を一時貯留する第 1及び第 2のキヤビティ 1 7 2及び 1 7 4と、 第 1及び第 2のキヤビティ 1 7 2及び 1 7 4間を連通する連通孔 1 7 6と、 チャネル 1 4の開口部に向けて形成された試料吐出孔 1 7 8とを有する。 また、 この供給部本体 1 6 2は、 ケーシング 1 7 0を振動させたり、 第 2のキ ャビティ 1 7 4の容積を変化させるァクチユエ一夕部 1 7 7を有する。 第 2のキ ャビティ 1 7 4は、 試料吐出孔 1 7 8や連通孔 1 7 6が形成された下板 1 8 0と 第 2のキヤビティ 1 7 4上に位置する上板 1 8 4 (振動板） と、 下板 1 8 0と上 板 1 8 4間に配された側板 1 8 2にて区画されている。 ァクチユエ一夕部 1 7 7 は、 上板 1 8 4の表面に形成される。 上記のような構成の供給部本体 1 6 2によれば、 ァクチユエ一夕部 1 7 7の駆 動によって、 第 2のキヤビティ 1 7 4の容積が減少すると、 第 2のキヤビティ 1 7 4内の試料が試料吐出孔 1 7 8から所定速度で吐出され、 チャネル 1 4に供給 される。 ァクチユエ一夕部 1 7 6を駆動して、 第 2のキヤビティ 1 7 4の容量を 拡大あるいは元に戻したとき、 第 1のキヤビティ 1 7 2内の試料が連通孔 1 7 6 を介して第 2のキヤビティ 1 7 4内に導かれ、 更に、 試料貯留部 1 6 4の試料が 試料用チャネル 1 6 6を介して第 1のキヤビティ 1 7 2内に導かれることになる。 これらの動作が順次繰り返されることで、 試料供給部 1 6 0内の試料が順次チヤ ネル 1 4に供給される。
尚、 供給部本体 1 6 2の大きさは、 マイクロ化学チップの全体の大きさ、 扱う 試料の種類等で選択されるが、 第 2のキヤビティ 1 7 4の大きさが縦 3ミリ、 横 0 . 3ミリ、 厚さ 0 . 3ミリであり、 試料吐出孔 1 7 8と連通孔 1 7 6の径が 0 . 0 7ミリの場合、 試料の粘度が 2センチボイズ時に 1回の駆動により、 試料が 1 0 0ピコリットル供給される。
このマイクロ化学チップ 1 0 Cにおいては、 試料供給部 1 6 0によって、 チヤ ネル 1 4への試料の供給タイミング及び供給量をピコリットル単位で任意に設定 することができ、 外部からより微量の試料を供給可能になり、 試料の使用効率、 分析精度の更なる向上並びに分析の高速化を実現することができるマイク口化学 チップ 1 0 Cをコストを抑えて提供することができた。
尚、 マイクロ化学チップ 1 0 Cの場合は、 ポンプ部 2 2は必ずしも必要ではな く、 チャネル 1 4中の流体の移動は従来からの外部ポンプや電気浸透流を利用し てもよい。
次に、 第 4の実施の形態に係るマイクロ化学チップ 1 0 Dについて図 9を参照 しながら説明する。
このマイクロ化学チップ 1 0 Dは、 図 9に示すように、 上述したマイクロ化学 チップ 1 O Aとほぼ同様の構成を有するが、 2つの流体貯留部 （第 1及び第 2の 流体貯留部 1 6 A及び 1 6 B ) を有する点と、 各流体貯留部 1 6 A及び 1 6 Bの 近傍にそれぞれポンプ部 2 2が形成されている点で異なる。 ポンプ部 2 2は、 図 2及び図 3に示す第 1及び第 2のポンプ部 2 2 A及び 2 2 Bを使用することがで さる。
つまり、 このマイクロ化学チップ 1 0 Dは、 図 9に示すように、 第 1の流体貯 留部 1 6 Aの流体を下流側に送る第 1のチャネル 1 4 aと、 第 2の流体貯留部 1 6 Bの流体を下流側に送る第 2のチャネル 1 4 bと、 第 1及び第 2のチャネル 1 4 a及び 1 4 bを通じて送られてくる 2種類の流体が合流する合流チャネル 1 4 とを有する。
そして、 第 1の流体貯留部 1 6 Aに、 例えば検査対象の試料を供給した場合、 第 2の流体貯留部 1 6 Bには、 検査対象の別の試料を供給するようにしてもよい。 この場合、 2種類の試料を合流 （反応等） させた結果の生化学分析等を容易に行 うことができる。 もちろん、 第 2の流体貯留部 1 6 Bには搬送用流体を供給する ようにしてもよい。 その塲合は、 第 1のチャネル 1 4 aに設置したポンプ部 2 2 にて試料を合流地点まで移動させた後、 第 2のチャネル 1 4 bに設置したポンプ 部 2 2にて搬送用流体を供給し続けることにより、 合流地点まで移動した試料の みを効率的に分離、 反応、 解析等に利用することができる。
また、 図 1 0に示す変形例に係るマイクロ化学チップ 1 0 D aのように、 基体 1 2の表面に例えば 3つの流体貯留部 1 6 A〜l 6 Cを設け、 更に、 第 1〜第 3 のチャネル 1 4 a〜 1 4 c及び合流チャネル 1 4を設けることで、 第 1及び第 2 のチャネル 1 4 &及び1 4 bにはそれぞれ異なる試料を供給し、 第 3のチャネル 1 4 cに搬送用流体を供給するようにすれば、 貴重又は高価な試料の節約を図り ながらも、 異なる試料の合流後の結果を容易に検査することができる。 もちろん、 4つ以上のチャネルと 1つ以上の合流チャネルを設けるようにしてもよい。
次に、 第 5の実施の形態に係るマイクロ化学チップ 1 0 Eは、 図 1 1に示すよ うに、 上述したマイクロ化学チップ 1 0 Dとほぼ同様の構成を有するが、 合流部 分に振動発生部 1 9 0を有する点で異なる。 振動発生部 1 9 0は、 例えば図 1 2 に示すように、 チャネル 1 4の合流部分の上部に設けられ、 振動板 1 9 2と該振 動板 1 9 2上に形成された作動部 1 9 4 (形状保持層 1 9 6、 上部電極 1 9 8及 び下部電極 1 9 9 ) にて構成することができる。 上部電極 1 9 8及び下部電極 2 0 0に対して交番電圧を印加することで、 前記合流部分において容易に振動を発 生させることができる。 尚、 振動板 1 9 2は、 作動部 1 9 4を一体焼成して形成 するために必要であるが、 作動部 1 9 4を例えばバルクの圧電体に電極を形成し て作製するような場合は不要であり、 作動部 1 9 4を直接チャネル 1 4に貼りつ けてもよい。 また振動発生部 1 9 0は、 チャネル 1 4の上部に設置される以外に 側面、 底面等に設置してもよい。 特に、 基体 1 2がジルコ二アセラミックスから なる場合は、 前述したポンプ部 2 2と同時に振動発生部 1 9 0も一体化して形成 してもよい。
このマイクロ化学チップ 1 0 Eにおいても、 合流部分への振動付与により、 合 流部分での 2種類の試料の合流、 混合効率を高めることができ、 反応、 検査スピ 一ドを向上させることができた。
次に、 第 6の実施の形態に係るマイクロ化学チップ 1 0 Fについて図 1 3を参 照しながら説明する。
このマイクロ化学チップ 1 0 Fは、 図 1 3に示すように、 上述したマイクロ化 学チップ 1 0 Bとほぼ同様の構成を有するが、 2つの流体貯留部 （第 1及び第 2 の流体貯留部 1 6八及び1 6 B ) を有する点と、 各流体貯留部 1 6八及び1 6 B の近傍にそれぞれ逆止弁 2 1 0が形成されている点で異なる。 ポンプ部 2 2は、 図 2及び図 3並びに図 5及び図 6に示す第 1〜第 4のポンプ部 2 2 A〜2 2 Dの いずれかを使用することができる。
このマイクロ化学チップ 1 O Fも、 第 1の流体貯留部 1 6 Aの流体を下流側に 送る第 1のチャネル 1 4 aと、 第 2の流体貯留部 1 6 Bの流体を下流側に送る第 2のチャネル 1 4 bと、 第 1及び第 2のチャネル 1 4 a及び 1 4 bを通じて送ら れてくる 2種類の流体が合流する合流チャネル 1 4とを有する。
逆止弁 2 1 0は、 図 1 4に示す第 1の逆止弁 2 1 0 Aや図 1 5に示す第 2の逆 止弁 2 1 0 Bを使用することができる。 この逆止弁 2 1 0の説明にあたっては、 少なくともチャネル 1 4 a及び 1 4 bを閉塞する蓋板 2 1 2が基体 1 2上に被せ られた構成を想定して説明する。
第 1の逆止弁 2 1 O Aは、 図 1 4に示すように、 基体 1 2のチャネル 1 4 a及 び 1 4 b内に設けられた弁本体 2 1 4を有する。
弁本体 2 1 4は、 上板 2 1 6と、 基体 1 2と上板 2 1 6との間に設けられた側 壁 2 1 8と、 上板 2 1 6上に設けられた円錐状の変位伝達部 2 2 0とを有する。 また、 蓋板 2 1 2のうち、 前記変位伝達部 2 2 0に対応する部分には、 円錐状の 凹部 2 2 2が形成されている。
側壁 2 1 8は、 圧電ノ電歪体や反強誘電体にて構成されている。 また、 側壁 2 1 8には、 図示しないが、 電極膜が形成され、 この電極膜に電圧を印加して、 側 壁 2 1 8に電界をかけることで、 側壁 2 1 8は、 電界の強さに応じて上下方向に 伸縮する。
そして、 側壁 2 1 8に例えば負の電界をかけて該側壁 2 1 8を伸ばすことによ つて、 変位伝達部 2 2 0を凹部 2 2 2の内面に接触させることで、 流体の流れが 止まり、 側壁 2 1 8に例えば正の電界をかけて該側壁 2 1 8を縮めることによつ て、 変位伝達部 2 2 0を凹部 2 2 2から離間させることで、 流体はチャネル 1 4 a ( 1 4 b ) 内を流れることになる。
一方、 第 2の逆止弁 2 1 0 Bは、 図 1 5に示すように、 基体 1 2のチャネル 1
4 a及び 1 4 b内に設けられた弁本体 2 3 0を有する。
弁本体 2 3 0は、 ァクチユエ一夕部 2 3 2と該ァクチユエ一夕部 2 3 2上に設 けられた円錐状の変位伝達部 2 3 4を有する。 ァクチユエ一夕部 2 3 2は、 基体 1 2に形成された空所 2 3 6と、 該空所 2 3 6の形成によって構成された振動部 2 3 8及び固定部 2 4 0、 並びに振動部 2 3 8上に形成された作動部 2 4 2を有 して構成されている。
そして、 弁本体 2 3 0におけるァクチユエ一夕部 2 3 2の上下方向の変位動作 によって、 変位伝達部 2 3 4が凹部 2 2 2に接触又は離間することになり、 流体 の流れが停止又は進行することになる。
そして、 図 1 3に示すように、 第 1の流体貯留部 1 6 Aに、 例えば検査対象の 試料と搬送用流体を供給し、 第 2の流体貯留部 1 6 Bに、 検査対象の別の試料と 搬送用流体を供給するようにしてもよい。 この場合、 2種類の試料を合流 （反応 等） させた結果の生化学分析等を容易に行うことができる。 各逆止弁 2 1 0によ つて、 試料の各チャネル 1 4 &及び1 4 bへの供給量を任意に調整することがで き、 分析の精度向上、 コストの低廉化に有利になる。
また、 第 1の流体貯留部 1 6 Aに例えば検査対象の試料を供給し、 第 2の流体 貯留部 1 6 Bには搬送用流体を供給するようにしてもよい。 この場合も、 逆止弁 2 1 0によって、 試料及び搬送用流体の各チャネル 1 4 a及び 1 4 bへの供給量 を任意に調整することができる。
次に、 第 7の実施の形態に係るマイクロ化学チップ 1 0 Gについて図 1 6を参 照しながら説明する。
このマイクロ化学チップ 1 0 Gは、 図 1 6に示すように、 上述したマイクロ化 学チップ 1 0 Bとほぼ同様の構成を有するが、 チャネル 1 4の上流側及び下流側 に電極 2 5 0及び 2 5 2が形成されている点で異なる。
具体的には、 チャネル 1 4のうち、 流体貯留部 1 6の近傍に一方の電極 2 5 0 が形成され、 ポンプ部 2 2の上流側近傍に他方の電極 2 5 2が形成されている。 そして、 検査対象の試料が電荷をもつ溶質であって、 例えば負電荷を有する場合 は、 一方の電極 2 5 0を陽極 （電位の高い電極） とし、 他方の電極 2 5 2を陰極 とすることで、 試料をポンプ部 2 2による移動方向とは逆方向に電気泳動させる ようにする。
このように、 マイクロ化学チップ 1 0 Gにおいても、 電気泳動の方向をポンプ 部 2 2による移動方向と逆にすることで、 試料自体は流れと逆の方向 （正極） に 引き寄せられる力が働き、 電気泳動分析の分離能力が向上した。
また、 流体自体が極性をもつ場合、 電極間にかける電場の強さを調整すること で、 ポンプによる流体の移動に加え、 電気浸透流による移動が発生し、 より効果 的、 高速に流体の移動、 解析の完了が実現された。
更に、 検査対象の試料 （溶質） が正に荷電している場合は、 ポンプ部 2 2によ る流体の移動方向の電極を正にすることにより、 試料自体は流れと逆の方向 （負 極） に引き寄せられる力が働き、 十分な分離能力が確保された。
次に、 第 8の実施の形態に係るマイクロ化学チップ 1 0 Hについて図 1 7を参 照しながら説明する。 このマイクロ化学チップ 1 O Hは、 図 1 7に示すように、 上述したマイクロ化 学チップ 1 0 Bとほぼ同様の構成を有するが、 チャネル 1 4と交又する別のチヤ ネル 2 6 0が形成されている点と、 該別のチャネル 2 6 0の上流側及び下流側に 電極 2 5 0及び 2 5 2が形成されている点で異なる。
具体的には、 前記別のチャネル 2 6 0のうち、 流体貯留部 2 6 2の近傍に一方 の電極 2 5 0が形成され、 流体排出部 2 6 4の近傍に他方の電極 2 5 2が形成さ れている。 そして、 検査対象の試料が電荷をもつ流体であって、 例えば負電荷を 有する場合は、 一方の電極 2 5 0を陰極 （電位の低い電極） とし、 他方の電極 2 5 2を陽極とすることで、 流体排出部 2 6 4の方向に電気浸透流を発生させる。 これにより、 電荷をもつ、 もたないに関わらない試料を一方のチャネル 1 4に 供給し、 電荷をもつ試料を他方のチャネル 2 6 0に供給することで、 これら試料 を交叉部分で混合させ、 更に、 一方のチャネル 1 4を通じて、 前記混合された流 体をチャネル 1 4の下流側に流すことによって、 前記混合された流体に対する生 化学分析を行うことができる。
もちろん、 交叉部分に振動発生部 1 9 0 (図 1 1参照） を形成することで、 交 叉部分での 2種類の試料の混合、 反応効率を高めることができ、 実験、 検査スピ —ドを向上させることができる。
尚、 このマイクロ化学チップ 1 0 Hにおいては、 上述した電気浸透流にて流体 貯留部 2 6 2から交叉部分に試料を供給した後、 流体貯留部 1 6からチャネル 1 4を通ってポンプ部 2 2により交叉部分に供給される搬送流体により試料を分離 移動させる場合は、 ポンプ部 2 2が稼動している間は電極にかかる電圧を逆にす ることで、 交叉部分に供給された試料以外の試料がチャネル 1 4に流れ出ないよ うにすることができる。
次に、 第 9の実施の形態に係るマイクロ化学チップ 1 0 Iについて図 1 8を参 照しながら説明する。
このマイクロ化学チップ 1 0 Iは、 図 1 8に示すように、 上述したマイクロ化 学チップ 1 0 Fとほぼ同様の構成を有するが、 検査対象の試料が流れる第 1のチ ャネル 1 4 aに弁部 3 0 0が形成されている点で異なる。 つまり、 搬送用流体が 流れる第 2のチャネル 1 4 bには弁部 3 0 0を形成せずに、 貴重又は高価な試料 が供給される第 1のチャネル 1 4 aのみに弁部 3 0 0が形成されている。
この弁部 3 0 0としては、 例えば図 1 9に示す第 1の弁部 3 0 0 A、 図 2 0に 示す第 2の弁部 3 0 0 B又は図 2 1に示す第 3の弁部 3 0 0 Cを使用することが できる。
第 1の弁部 3 0 O Aは、 図 1 9に示すように、 例えばセラミック製の流路抵抗 体 3 0 2と、 該流路抵抗体 3 0 2内に埋め込まれたヒータ 3 0 4とを有する。
この第 1の弁部 3 0 O Aは、 熱による流体の粘度変化による流路抵抗の変化を 利用するものである。 ヒータ 3 0 4に通電して、 第 1のチャネル 1 4 aのうち、 流路抵抗体 3 0 2に対応する部分が加熱された状態となっている場合は、 その熱 によって流体の粘度は低下し、 流体は第 1のチャネル 1 4 aを流れる。 一方、 ヒ 一夕 3 0 4への通電を停止して、 流路抵抗体 3 0 2に対応する部分が冷却状態と なると、 流体の粘度が上がり、 その結果、 流路抵抗が上がって、 流体の流れは止 まることになる。 つまり、 ヒー夕 3 0 4への通電、 通電停止によって流体の流れ を制御することができ、 弁部 3 0 0として機能することになる。
第 2の弁部 3 0 0 Bは、 図 2 0に示すように、 第 1のチャネル 1 4 aの一部に 対して振動を付与する振動発生部 3 1 0を有する。 振動発生部 3 1 0は、 第 1の チャネル 1 4 a上に設けられた振動板 3 1 2と該振動板 3 1 2上に形成された作 動部 3 1 4 (形状保持層 3 1 6、 上部電極 3 1 8及び下部電極 3 2 0 ) にて構成 することができる。 上部電極 3 1 8及び下部電極 3 2 0に対して交番電圧を印加 することで、 第 1のチャネル 1 4 aにおいて容易に振動を発生させることができ る。
この第 2の弁部 3 0 0 Bは、 振動による流路抵抗の変化を利用するものである。 第 1のチャネル 1 4 aの一部に対して振動を付与すると、 流路抵抗が増すことか ら、 流体の流れは止まる。
第 3の弁部 3 0 0 Cは、 図 2 1に示すように、 少なくとも第 1のチャネル 1 4 aを閉塞するように被せられた蓋板 3 3 0に設けられたケーシング 3 3 2を有す る。 ケ一シング 3 3 2内には、 第 1のチャネル 1 4 aと導入孔 3 3 4及び排出孔 3 3 6を通じて連通するキヤビティ 3 3 8が形成されている。
ケーシング 3 3 2上には、 作動部 3 4 0 (形状保持層 3 4 2、 上部電極 3 4 4 及び下部電極 3 4 6 ) が形成され、 ケ一シング 3 3 2の上部 （振動板 3 4 8 ) と 共にァクチユエ一夕部 3 5 0として機能するようになっている。
図 6に示すポンプ部の場合とは逆に、 導入孔 3 3 4は、 その径がキヤビティ 3 3 8に向かって大きく設定され、 第 1のチャネル 1 4 a側の開口径はキヤビティ 3 3 8側の開口径よりも小さく設定されている。 同様に、 排出孔 3 3 6は、 その 径がキヤビティ 3 3 8に向かって小さく設定され、 第 1のチャネル 1 4 a側の開 口径はキヤビティ 3 3 8側の開口径よりも大きく設定されている。 つまり、 導入 孔 3 3 4は、 キヤビティ 3 3 8内の流体が該導入孔 3 3 4を通じて上流側の流体 に対して圧力を与えやすい構造とされ、 排出孔 3 3 6は、 下流側の流体が該排出 孔 3 3 6を通じてキヤビティ 3 3 8内の流体に対して圧力を与えやすい構造とさ れている。
そして、 図 1 8に示すポンプ部 2 2によって第 1のチャネル 1 4 a内を試料が 移動している際に、 ァクチユエ一夕部 3 5 0の駆動によってキヤビティ 3 3 8の 容積が減少したとき、 キヤビティ 3 3 8内の流体には逆方向 （ポンプ部 2 2によ る流体の流れ方向とは逆方向） の流れを起こす力が働き、 結果として、 この第 3 の弁部 3 0 0 Cにおいて流体の流れを停止させることができる。
上述の例では、 2つのチャネルあるいは 3つのチャネルを合流させた例や、 2 つのチャネルを交又させた例を示したが、 もちろん、 4つ以上のチャネルを合流 させた場合や、 3つ以上のチャネルを交叉させた場合にも適用させることができ る。
なお、 この発明に係るマイクロ化学チップは、 上述の実施の形態に限らず、 こ の発明の要旨を逸脱することなく、 種々の構成を採り得ることはもちろんである。 例えば、 基体 1 2は、 ポンプ部 2 2、 試料供給部 1 6 0と一体化する観点から、 ァクチユエ一夕材との反応性の低いジルコ二アセラミックスで形成されてもよい し、 チャネル 1 4を上面で閉塞する板材だけをガラスから構成した、 ジルコニァ セラミックスとの複合体からなってもよい。 産業上の利用可能性
以上説明したように、 本発明に係るマイクロ化学チップによれば、 チップの小 型化、 試料に対する分析精度の向上、 電荷をもたない試料の分析を可能とし、 チ ャネルのマルチ化が容易になる。
また、 電気泳動を組み合わせることにより、 分析精度の更なる向上並びに分析 の高速化を実現させることができる。

Claims

請求の範囲
1. 基体 （12) に、 流体が流通される 1以上のチャネル （14) を有するマイ クロ化学チップにおいて、
前記チャネル （14) の上流側及び 又は下流側にポンプ部 （22) を有し、 前記ポンプ部 （22) は、 前記基体 （12) に一体的に形成されていることを 特徴とするマイクロ化学チップ。
2. 請求項 1記載のマイクロ化学チップにおいて、
前記チャネル （14) の少なくとも上流側に弁部 （300) を有し、 前記弁部 （300) は、 前記基体 （12) に一体的に形成されていることを特 徴とするマイクロ化学チップ。
3. 請求項 1又は 2記載のマイク口化学チップにおいて、
前記チャネル （14) の上流側及び 又は下流側に流体の電気泳動のための電 極 （250， 252) が形成されていることを特徴とするマイクロ化学チップ。
4. 請求項 1記載のマイクロ化学チップにおいて、
前記チャネル （14) は、 検査対象の 1以上の試料がそれぞれ流通する 1以上 の試料用チャネル （166) を有することを特徴とするマイクロ化学チップ。
5. 請求項 4記載のマイクロ化学チップにおいて、
前記 1以上の試料用チャネル （166) は、 それぞれ対応する試料と搬送用流 体が流通することを特徴とするマイク口化学チップ。
6. 請求項 4又は 5記載のマイク口化学チップにおいて、
前記 1以上の試料用チャネル （166) に、 それぞれ対応する試料を供給する ための試料供給部 （160) が設けられていることを特徴とするマイクロ化学チ ップ。
7. 請求項 6記載のマイクロ化学チップにおいて、
前記チャネル （14) は、 前記 1以上の試料用チャネル （166) からの 1以 上の試料が合流する合流チャネル （14) を有することを特徴とするマイクロ化 学チップ。
8. 請求項 1記載のマイクロ化学チップにおいて、
前記チャネル （14) は、 検査対象の 1以上の試料がそれぞれ流通する 1以上 の試料用チャネル （14 a、 14 b) と、 前記試料を搬送するための搬送用流体 が流通する 1つの搬送用チャネル （14 c) とを有することを特徴とするマイク 口化学チップ。
9. 請求項 8記載のマイクロ化学チップにおいて、
前記チャネル （14) は、 前記 1以上の試料用チャネル （14 a， 14 b) か らの 1以上の試料と前記 1つの搬送用チャネル （14 c) からの搬送用流体とが 合流する合流チャネル （14) 、 あるいは前記 1以上の試料用チャネル （14 a, 14b) からの 1以上の試料が混合された流体と前記 1つの搬送用チャネル （1 4 c) からの搬送用流体とが合流する合流チャネル （14) を有することを特徴 とするマイクロ化学チップ。
10. 請求項 7又は 9記載のマイクロ化学チップにおいて、
前記 1以上の試料チャネル （14 a, 14 b) は、 前記合流チャネル （14) の前段にそれぞれ弁部 （300) を有することを特徴とするマイクロ化学チップ。
11. 請求項 7、 9又は 10記載のマイクロ化学チップにおいて、
前記合流部分に振動発生部 （190) を有することを特徴とするマイクロ化学 チップ。
12. 請求項 6記載のマイクロ化学チップにおいて、
前記 1以上の試料用チャネル （14 a, 14 b) は互いに交叉していることを 特徴とするマイク口化学チップ。
13. 請求項 8記載のマイクロ化学チップにおいて、
前記 1以上の試料用チャネル （14 a， 14 b) と前記 1つの搬送用チャネル (14 c) とがそれぞれ互いに交叉、 あるいは前記 1以上の試料用チャネル （1 4 a, 14 b) の合流チャネルと前記 1つの搬送用チャネル （14 c) とが互い に交叉していることを特徵とするマイクロ化学チップ。
14. 請求項 12又は 13記載のマイクロ化学チップにおいて、
前記 1以上の試料用チャネル （14 a, 14 b) は、 前記交叉部分の前段にそ れぞれ弁部 （300) を有することを特徴とするマイクロ化学チップ。
15. 請求項 12〜14のいずれか 1項に記載のマイクロ化学チップにおいて、 前記交叉部分に振動発生部 （190) を有することを特徴とするマイクロ化学 チップ。
16. 請求項 2、 10又は 14記載のマイクロ化学チップにおいて、
前記弁部 （300) は、 前記チャネル （14) の一部に対して熱を与えるヒー 夕 （304) を有することを特徴とするマイクロ化学チップ。
17. 請求項 2、 10又は 14記載のマイクロ化学チップにおいて、
前記弁部 （300) は、 前記チャネル （14) の一部に対して振動を付与する 振動発生部 （310) を有することを特徴とするマイクロ化学チップ。
18. 請求項 2、 10、 14又は 17記載のマイクロ化学チップにおいて、 前記弁部 （300) は、 前記チャネル （ 14) と連通するキヤビティ （33 8) と、 前記キヤビティ （338) の容積を可変にするァクチユエ一夕部 （35 0) とを有することを特徴とするマイクロ化学チップ。
19. 請求項 1記載のマイクロ化学チップにおいて、
前記ポンプ部 （22) は、 前記チャネル （14) と連通するキヤビティ （8 6) と、 前記キヤビティ （86) の容積を可変にするポンプ用ァクチユエ一夕部 (84) とを有することを特徴とするマイクロ化学チップ。
20. 請求項 6記載のマイクロ化学チップにおいて、
前記試料供給部 （160) は、 ノズル （178) と、 前記チャネル （14) と に連通するキヤビティ （174) と、
前記キヤビティ （174) の容積を可変にするポンプ用ァクチユエ一夕部 （1 77) とを有することを特徴とするマイクロ化学チップ。
21. 請求項 19、 20記載のマイクロ化学チップにおいて、
前記チャネル （14) と前記キヤビティ （86) との間に弁部 （92) を有す ることを特徴とするマイクロ化学チップ。
22. 請求項 21記載のマイクロ化学チップにおいて、
前記弁部 （92) は、 前記チャネル （14) とキヤビティ （86) との連通部 分 （88) に配された弁体 （98) と、 前記弁体 （98) を動作させて前記連通 部分 （88) の開閉を選択的に行わせる弁用ァクチユエ一夕部 （96) とを有す ることを特徴とするマイク口化学チップ。
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