WO2013190745A1 - マイクロ流体デバイス - Google Patents

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region
microfluidic device
temperature control
reaction
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宏明 橘
辻　幸司
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パナソニック株式会社
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    • B01L2300/1827—Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks using resistive heater

Definitions

  • the present invention relates to a microfluidic device such as a microreaction device (microreactor), an integrated DNA device, or a microelectrophoresis device.
  • a microfluidic device such as a microreaction device (microreactor), an integrated DNA device, or a microelectrophoresis device.
  • microfluidic devices such as microreaction devices, integrated DNA devices, and microelectrophoresis devices manufactured by applying microfabrication technology have attracted attention. Since the microfluidic device has a very narrow reaction channel and causes a chemical reaction or the like in the reaction channel, analysis of a sample or the like can be performed extremely efficiently and inexpensively.
  • Patent Document 1 discloses a method using a microfluidic device as a method of performing a temperature change at high speed in a reaction device that gives a desired temperature change to the reaction fluid.
  • a device substrate is divided
  • a method is disclosed for varying the temperature in each region. With such a configuration, a desired temperature change can be given only by flowing a fluid through the meandering flow path, and therefore the fluid temperature can be changed at high speed.
  • the microfluidic device 101 is heated by the large external heater block 100 attached to the outside of the microfluidic device 101 as shown in FIG. 1)
  • the entire system increases in size by the size of the external heater block 10.
  • the heater block 100 and the microfluidic device 101 There is a problem that the apparatus becomes complicated because the contact means is required.
  • the heater block 100 has uneven heating, there is a problem that it is difficult to uniformly heat the fluid in the reaction channel.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a miniaturized microfluidic device with a heater that can form a uniform temperature region and has a simple structure. It is in.
  • a microfluidic device is a microfluidic device comprising a substrate, a reaction channel formed on the substrate, and a temperature adjusting heater for heating the reaction channel.
  • a substrate On the substrate, reaction channel forming regions in which the reaction channels are formed and temperature adjusting heater forming regions in which the temperature adjusting heater is formed are alternately arranged, In the reaction channel forming region, the reaction channel is formed by being folded at least once, The temperature adjusting heater is formed in the temperature adjusting heater forming region by being folded at least once.
  • each of the reaction flow path formation region and the temperature control heater formation region has a first temperature region and a second temperature region, which are alternately arranged in one direction. And The first temperature region and the second temperature region are juxtaposed in a direction different from the one direction.
  • a first reaction channel forming region included in the first temperature region and a second reaction channel forming region included in the second temperature region include: Arranged differently from each other, The adjacent reaction channels formed in the first reaction channel forming region and the second reaction channel forming region are formed in communication with each other.
  • a first temperature control heater formation region included in the first temperature region and a second temperature control heater formation region included in the second temperature region include: Staggered, It is preferable that the adjacent temperature control heaters formed in the first temperature control heater formation region and the second temperature control heater formation region are continuously formed.
  • thermocontrol heaters formed by meandering in a meandering manner are provided in one temperature control heater formation region.
  • reaction channels formed by being meandered and separated in one reaction channel formation region.
  • the number of times the temperature control heater is folded in one temperature control heater formation region is 1 to 10.
  • the number of turns of the reaction channel in one reaction channel formation region is 1 to 10.
  • the microfluidic device according to the present invention may further include a protective substrate on the substrate, the reaction channel formed by opening the substrate outwardly by the protective substrate, and the temperature control disposed on the substrate.
  • the heater is covered.
  • the microfluidic device according to the present invention may have a separation groove formed in the back surface of the substrate at the boundary between the two or more temperature regions.
  • the microfluidic device according to the present invention may further include a through hole formed so as to penetrate from the back surface to the front surface of the substrate at the boundary.
  • a step may be formed between the surface on which the temperature adjusting heater is formed and the surface of the substrate, and the temperature adjusting heater is provided on the substrate. It is preferable that it does not protrude from the surface.
  • the temperature control heater is preferably a metal thin film heater.
  • the two or more temperature control heaters can be temperature controlled separately.
  • the above-described microfluidic device can be used as a polymerase chain reaction device.
  • a protruding portion formed by folding the reaction channel once in the reaction channel forming region and a protruding portion formed by folding the temperature adjusting heater once in the temperature adjusting heater forming region are nested. When arranged, the reaction channel can be heated uniformly by the temperature control heater.
  • the temperature control heater formation region is formed on the substrate, no contact means for improving heat transfer between the heater block and the microfluidic device is required, and no contact means is required. can do. Furthermore, since the temperature control heater is formed on the substrate and a separate heater block is not required, and the temperature control heater can be formed only by printing a thin metal film on the substrate, for example, a microfluidic device. Can be miniaturized.
  • microfluidic device of the present invention it is possible to provide a miniaturized microfluidic device with a heater that can form a uniform temperature region and has a simple structure.
  • FIG. 1 is a perspective view of a microfluidic device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a top view of the substrate constituting the microfluidic device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a top view of a substrate constituting the microfluidic device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • 4 (a) to 4 (d) are cross-sectional views of the microfluidic device according to Embodiment 2 of the present invention and having a separation groove at the boundary of two or more temperature regions.
  • FIG. 5 is a top view of a microfluidic device according to another aspect of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view of a microfluidic device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a top view of the substrate constituting the microfluidic device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a top view of a substrate
  • FIG. 6 is a top view of a microfluidic device according to still another aspect of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a top view of the microfluidic device according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 8A is a top view of a conventional microfluidic device, and
  • FIG. 8B is a cross-sectional view thereof.
  • FIG. 1 is a perspective view of a microfluidic device 1 according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the microfluidic device 1 according to Embodiment 1 is formed on a substrate 2, a reaction channel 3 formed on the substrate 2, and on the substrate 2 in the vicinity of the reaction channel 3. And a temperature control heater 4 provided for heating the reaction flow path 3.
  • FIG. 2 is a top view of the substrate 2 constituting the microfluidic device 1 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the reaction flow path forming region 5 in which the reaction flow channel 3 is formed on the substrate 2 and the temperature control heater forming region 6 in which the temperature control heater 4 is formed are in one direction (this In the first embodiment, they are alternately arranged in the longitudinal direction of the substrate. Since the temperature control heater 4 is formed along the reaction flow path 3 and close thereto, the temperature control heater 4 can uniformly heat the fluid and the like in the reaction flow path 3.
  • the top view shape of the reaction flow path 3 formed in the reaction flow path forming region 5 is not particularly limited to the substantially U-shaped shape shown in FIG. 2 and the like, and may be any shape.
  • any one of the plurality of reaction channels 3 may be different in shape or the same as any other reaction channel 3.
  • these shapes are preferably the same. Thereby, the fluid etc. in the reaction flow path 3 can be heated uniformly.
  • reaction flow path 3 is uniformly formed in the same reaction flow path forming region 5.
  • the reaction channel 3 is uniformly formed in the same reaction channel forming region 5” means that the reaction channel forming region 5 is reacted in one reaction channel forming region 5. It means that the flow paths 3 are formed with equal density.
  • the reaction flow path 3 can be heated uniformly, so that the thermal uniformity can be obtained.
  • top view shape of the reaction flow path 3 and the temperature control heater 4 is a protrusion shape with the folded portion as a tip (protrusion portion) will be described as an example.
  • the reaction flow path 3 is formed in the reaction flow path forming region 5 by being folded at least once and formed into a projecting shape. Thereby, the protruding portion is formed.
  • “the reaction channel 3 is formed by folding” means that, as shown in FIG. 2, after the reaction channel 3 extends linearly in one direction, the direction opposite to the one direction at a certain position. It means that it is turned and turned back (for example, a direction of about 180 ° with respect to the one direction) and further linearly extends in the opposite direction. As shown in FIG.
  • the folded portion is folded discontinuously (so that the inclination of the tangent at the tip changes discontinuously) (that is, for example, a substantially U shape (a square shape with one opening)). May be curved gently (so that the inclination of the tangent at the tip continuously changes) (that is, substantially U-shaped).
  • the number of turns of the reaction channel 3 is not limited to one, but may be two or more (for example, about 2 to 50 times).
  • the temperature control heater 4 is formed to be bent at least once.
  • the temperature-regulating heater 4 is formed so as to be folded, as described above, as shown in FIG. 2, after the temperature-regulating heater 4 extends linearly in one direction, it is opposite to the one direction at a certain position. It means turning around in a direction (for example, a direction of about 180 ° with respect to the one direction) and being linearly extended in the opposite direction.
  • the folded portion may be discontinuously folded (so that the inclination of the tangent line at the tip changes discontinuously) (that is, for example, a substantially U shape (a square shape with one opening)). As shown in FIG.
  • the number of turns of the temperature control heater 4 is not limited to one, and may be two or more (for example, about 2 to 50 times).
  • the protruding portions are connected to each other on the opposite side with respect to the folded portion, and as shown in FIG. Is formed by meandering.
  • the “protruding part” is a predetermined length (formation region (reaction channel formation region 5, temperature control heater formation region 6) in the longitudinal direction (for example, Q direction in FIG. 3). ) Means a portion formed by extending in one direction (for example, the Q direction in FIG. 3) and then folding back and extending the same length in the opposite direction.
  • the temperature control heater 4 is arranged in a meandering manner such that the protruding portions are equally spaced, and similarly, the reaction flow path 3 is arranged in a meandering manner so that the protruding portions are equally spaced, Between the protrusions of the temperature control heater 4, the protrusions of the reaction flow path 3 are arranged.
  • each protrusion of the reaction flow path 3 enters between the protrusions of the two continuous temperature control heaters 4, and each protrusion of the temperature control heater 4 has two continuous reaction flows. It is arranged in a nested manner so as to enter between the protruding portions of the path 3. Thereby, the temperature control heater 4 can be disposed close to the reaction channel 3, and the reaction channel 3 can be heated efficiently and uniformly by the temperature control heater 4.
  • “nested” means that each protrusion of the reaction flow path 3 enters between the protrusions of two continuous temperature control heaters 4, and each protrusion of the temperature control heater 4 is It means entering between the protruding portions of two continuous reaction flow paths 3.
  • the microfluidic device with a heater having a simple structure that does not require a close contact means for improving the heat transfer between the heater block and the device. 1 can provide a miniaturized microfluidic device 1 that can form a uniform temperature region.
  • FIG. 3 shows a microfluidic device 1 according to Embodiment 2 of the present invention, in which the temperature regions (first temperature region 10 and second temperature region 11) are arranged in two rows. 1 is a top view of FIG.
  • a first temperature region 10 and a second temperature region 11 are formed on the microfluidic device 1, and a reaction flow is generated in each of the first temperature region 10 and the second temperature region 11.
  • the path formation area 5 and the temperature control heater formation area 6 are formed alternately in one direction P.
  • the first temperature region 10 and the second temperature region 11 are juxtaposed in a direction different from the one direction P, for example, a direction Q substantially perpendicular to the one direction.
  • the first reaction channel forming region 5 a included in the first temperature region 10 and the second temperature region 11 are included.
  • the paths 3 are formed to communicate with each other.
  • the protruding portions of the reaction channel 3 can be alternately formed on the left and right with D-D ′ as the center. That is, odd-numbered protrusions can be arranged on the left side, and even-numbered protrusions can be arranged on the right side.
  • the temperature control heater 4 can be meandered across the first temperature region 10 and the second temperature region 11. Since the first temperature region 10 and the second temperature region 11 can be set to different temperatures, one reaction channel 3 can be heated at different temperatures.
  • the first temperature region 10 is formed by alternately arranging the first reaction flow path forming region 5a and the first temperature adjusting heater forming region 6a, and the second temperature region 11 is formed.
  • the second reaction flow path forming region 5b and the second temperature control heater forming region 6b are alternately formed to form a plurality of first reaction flow channels included in the first temperature region 10.
  • the regions 5a and the plurality of second reaction flow path forming regions 5b included in the second temperature region 11 are alternately arranged in a state of being shifted one by one. And among the several 1st reaction flow path formation area
  • the first reaction channel forming region 5a (A1) included in the first temperature region 10 is replaced by the second reaction channel included in the second temperature region 11.
  • the second reaction flow path formation region 5b (B1) which is disposed in the vicinity of the formation region 5b (B1) and included in the second temperature region 11, is the first reaction flow included in the first temperature region 10. It is arranged close to the path forming area 5a (A2).
  • the first reaction channel formation region 5a (A2) included in the first temperature region 10 is close to the second reaction channel formation region 5b (B2) included in the second temperature region 11.
  • the second reaction channel forming region 5b (B2) that is disposed and included in the second temperature region 11 is close to the first reaction channel forming region 5a (A3) included in the first temperature region 10.
  • the first reaction channel forming region 5a (A3) included in the first temperature region 10 is close to the second reaction channel forming region 5b (B3) included in the second temperature region 11.
  • the second reaction channel forming region 5b (B3) that is disposed and included in the second temperature region 11 is close to the first reaction channel forming region 5a (A4) included in the first temperature region 10.
  • the first reaction channel forming region 5a (A4) included in the first temperature region 10 is close to the second reaction channel forming region 5b (B4) included in the second temperature region 11.
  • the second reaction channel forming region 5b (B4) that is disposed and included in the second temperature region 11 is close to the first reaction channel forming region 5a (A5) included in the first temperature region 10. Are arranged. Furthermore, the first reaction channel forming region 5a (A5) included in the first temperature region 10 is close to the second reaction channel forming region 5b (B5) included in the second temperature region 11. The second reaction channel forming region 5b (B5) included in the second temperature region 11 is adjacent to the first reaction channel forming region 5a (A6) included in the first temperature region 10. Are arranged. Further, the first reaction channel forming region 5a (A6) included in the first temperature region 10 is close to the second reaction channel forming region 5b (B6) included in the second temperature region 11. Is arranged.
  • the temperature control heaters 4 formed in the first temperature control heater formation region 6a adjacent to each other in the one direction P of the first reaction flow path formation region 5a are continuous with each other.
  • one continuous temperature adjusting heater 4 is formed so as to be nested with one continuous reaction flow path 3. More specifically, as shown in FIG. 3, in the first temperature region 10, there is a temperature control heater forming region between the reaction channel forming region 5 a (A 1) and the reaction channel forming region 5 a (A 2). 6a (C1) is formed, and a temperature adjusting heater forming region 6a (C2) is formed between the reaction channel forming region 5a (A2) and the reaction channel forming region 5a (A3).
  • a temperature control heater forming region 6a (C3) is formed between the reaction channel forming region 5a (A3) and the reaction channel forming region 5a (A4), and the reaction channel forming region 5a (A4) and A temperature control heater formation region 6a (C4) is formed between the reaction channel formation region 5a (A5).
  • a temperature control heater forming region 6a (C5) is formed between the reaction channel forming region 5a (A5) and the reaction channel forming region 5a (A6), and the reaction channel forming region 5a (A6).
  • a temperature control heater formation region 6a (C6) is formed next to (adjacent in one direction P (that is, in the positive direction of the P-axis)
  • the temperature adjusting heaters 4 formed in the first temperature adjusting heater forming region 6a are connected as shown in FIG. 3, thereby forming one continuous temperature adjusting heater 4. Yes.
  • the left protruding portion of the one continuous temperature adjusting heater 4 is formed in a nested manner with the protruding portion of the one continuous reaction channel 3.
  • the temperature control heaters 4 formed in the second temperature control heater formation region 6 b adjacent to each other in the one direction P of the second reaction flow path formation region 5 b are continuous.
  • one continuous temperature control heater 4 is formed. More specifically, as shown in FIG. 3, in the second temperature region 11, next to the reaction flow path formation region 5b (B1) (next to the direction opposite to the one direction P (the negative direction of the P axis)).
  • the temperature control heater forming region 6b (D1) is formed, and the temperature control heater forming region 6b (D2) is formed between the reaction channel forming region 5b (B1) and the reaction channel forming region 5b (B2). Is formed.
  • a temperature control heater forming region 6b (D3) is formed between the reaction channel forming region 5b (B2) and the reaction channel forming region 5b (B3), and the reaction channel forming region 5b (B3) and A temperature control heater formation region 6b (D4) is formed between the reaction channel formation region 5b (B4).
  • a temperature control heater forming region 6b (D5) is formed between the reaction channel forming region 5b (B4) and the reaction channel forming region 5b (B5), and the reaction channel forming region 5b (B5).
  • a reaction flow path forming region 5b (B6), a temperature control heater forming region 6b (D6) is formed.
  • the temperature adjusting heater 4 formed in the second temperature adjusting heater forming region 6b (D1 to D6) is connected as shown in FIG. 3, so that one continuous temperature adjusting heater 4 is formed. Yes.
  • the right protruding portion of the one continuous temperature control heater 4 is formed so as to be nested with the protruding portion of the one continuous reaction channel 3.
  • the first temperature region 10 is meandered so as to be equally spaced between the protruding portions of the temperature adjusting heater 4 meandered so as to be equally spaced. Further, since the protruding portion of the reaction channel 3 is arranged, the heat uniformity can be improved. That is, each protrusion of the reaction flow path 3 enters between the protrusions of the two continuous temperature control heaters 4, and each protrusion of the temperature control heater 4 has two continuous reaction flows. Since the temperature adjusting heater 4 can be disposed close to the reaction flow path 3 by arranging it in a nested manner so as to enter between the protruding portions of the path 3, it can be heated efficiently and uniformly. The same applies to the second temperature region 11.
  • each reaction channel forming region 5 (first reaction channel forming region 5 a, second reaction channel forming region 5 b) has a protruding portion of the reaction channel 3. Two may be formed.
  • seven reaction channel 3 protrusions may be formed in one reaction channel forming region 5. By setting it as such a structure, it can heat to higher temperature and can implement
  • the number of times the temperature control heater 4 is folded in one temperature control heater formation region 6 is 1 to 50. More preferably, it is 1-10. By setting the number of turns of the temperature control heater 4 in such a range, rapid heating and uniform heating can be realized.
  • the microfluidic device 1 according to Embodiment 2 of the present invention preferably further includes a protective substrate 20 on the substrate 2, and the protective substrate 20 opens outward to the substrate 2.
  • the temperature control heater 4 disposed on the reaction flow path 3 and the substrate 2 formed in this manner is covered. By setting it as such a structure, while being able to protect the temperature control heater 4, it can prevent that the fluid in the reaction flow path 3 leaks out of the reaction flow path 3.
  • the protective substrate 20 may be made of any material as long as the temperature control heater 4 and the reaction flow path 3 formed on the substrate 2 can be well protected.
  • 4 (a) to 4 (d) are cross-sectional views of the microfluidic device 1 according to Embodiment 2 of the present invention and having a separation groove at the boundary of two or more temperature regions.
  • 4A is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of the microfluidic device 1 illustrated in FIG. 3
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line BB of the microfluidic device 1 illustrated in FIG. It is a sectional view in a section.
  • 4C is a cross-sectional view taken along the line CC ′ of the microfluidic device 1 illustrated in FIG. 3
  • FIG. 4D is a cross-sectional view of D of the microfluidic device 1 illustrated in FIG. It is sectional drawing in a -D 'cross section.
  • an isolation groove 30 may be formed in the back surface of the substrate 2 at the boundary between two or more temperature regions 10 and 11.
  • the two temperature regions 10 and 11 may be connected at a portion other than the separation groove 30 as shown in FIG.
  • the separation groove 30 improves the thermal insulation between the temperature regions. Therefore, as described above, by forming the separation groove 30 at the boundary between two or more temperature regions, the thermal insulation between the temperature regions 10 and 11 can be improved.
  • the cross-sectional shape may be any shape.
  • the cross-sectional shape of the separation groove 30 is preferably rectangular in that the separation groove 30 can be easily formed.
  • the separation groove 30 improves the thermal insulation between the temperature regions 10 and 11
  • the separation groove 30 does not necessarily have to be opened on the back surface of the substrate 2, and is opened on both the front surface and the back surface of the substrate 2. (That is, a closed space may be formed between the temperature regions 10 and 11 of the substrate 2). Even if both the front and back surfaces of the substrate 2 are closed, the thermal insulation between the temperature regions 10 and 11 can be improved satisfactorily.
  • the substrate 2 penetrates from the back surface to the surface at the boundary between the two temperature regions 10 and 11. You may further provide the through-hole 31 formed in this. With such a configuration, the thermal insulation between the temperature regions 10 and 11 can be further improved.
  • the surface on which the temperature control heater 4 is formed, and the substrate 2 It is preferable that a step is formed between the outermost surface and the temperature adjusting heater 4 does not protrude from the outermost surface of the substrate 2. With such a configuration, the substrate 2 and the protective substrate 20 can be easily joined, and the yield can be improved.
  • the temperature adjustment heater 4 is preferably a metal thin film heater.
  • the temperature adjusting heater 4 is a metal thin film heater, it can be easily integrated on the device.
  • examples of the material used for the metal thin film heater include metals such as gold, platinum, copper, and aluminum. These materials can be suitably used because they have low resistance and are easy to produce.
  • a known method such as sputtering or vapor deposition can be used.
  • thermocontrol can be performed with high accuracy.
  • the microfluidic device 1 As described above, according to the microfluidic device 1 according to the second embodiment, the microfluidic device with a heater having a simple structure that does not require a close contact means for improving the heat transfer between the heater block and the device. 1 can provide a miniaturized microfluidic device 1 that can form a uniform temperature region. Furthermore, since a temperature region having two or more different temperatures can be formed, the fluid in the reaction channel 3 can be adjusted to various temperatures, and a microfluidic device with good temperature control can be provided. it can.
  • FIG. 8 shows a microfluidic device 1 according to Embodiment 3 of the present invention, in which three rows of temperature regions (first temperature region 10, second temperature region 11, and third temperature region 12) are juxtaposed.
  • 2 is a top view of the microfluidic device 1.
  • a first temperature region 10, a second temperature region 11, and a third temperature region 12 are formed on the microfluidic device 1, and the first temperature region 10 and the second temperature region are formed.
  • reaction flow path forming regions 5 and temperature adjusting heater forming regions 6 are alternately arranged in one direction P.
  • the first temperature region 10, the second temperature region 11, and the third temperature region 12 are juxtaposed in a direction different from the one direction P, for example, a direction Q substantially perpendicular to the one direction.
  • the first reaction channel forming region 5a included in the first temperature region 10 and the second reaction channel included in the second temperature region 11 The reaction flow paths 3 formed in the first reaction flow path formation area 5a and the second reaction flow path formation area 5b, which are alternately arranged and close to each other, are formed in communication with each other.
  • One continuous reaction channel 3 is formed in the first temperature region 10 and the second temperature region 11.
  • the second temperature control heater formation region 6b included in the second temperature region 11 and the third temperature control heater formation region 6c included in the third temperature region 12 are alternately arranged and are close to each other.
  • the temperature adjusting heaters 4 formed in the second temperature adjusting heater forming region 6b and the third temperature adjusting heater forming region 6c are continuously formed, and the second temperature region 11 and the third temperature region 12 are formed. In addition, one continuous temperature control heater 4 is formed.
  • the temperature adjusting heaters 4 formed in the first temperature adjusting heater forming region 6a adjacent to both sides of the first reaction channel forming region 5a are continuously formed, In one temperature region 10, one continuous temperature control heater 4 is formed.
  • reaction flow channels 3 formed in the third reaction flow channel formation region 5 adjacent to both sides of the third temperature control heater formation region 6 are formed in communication with each other, In the third temperature region 12, one continuous reaction channel 3 is formed.
  • microfluidic device 1 in which three rows of temperature regions are juxtaposed can be manufactured. Further, if one continuous reaction channel 3 and / or temperature control heater 4 straddling two temperature regions is increased, four or more temperature regions can be formed.
  • the microfluidic device 1 is formed in one temperature control heater forming region 6 included in the first temperature region 10, the second temperature region 11, and the third temperature region 12.
  • the number of turns of the temperature control heater 4 may be two or more. Thereby, the reaction efficiency of the fluid (reactive substance etc.) in the reaction flow path 3 can be raised.
  • the microfluidic device 1 is formed in one reaction channel forming region 5 included in the first temperature region 10, the second temperature region 11, and the third temperature region 12.
  • the number of times of folding the reaction channel 3 may be two or more.
  • a microfluidic device with a heater having a simple structure that does not require a close contact means for improving heat transfer between the heater block and the device. 1 can provide a miniaturized microfluidic device 1 that can form a uniform temperature region. Furthermore, since a temperature region having three or more different temperatures can be formed, the fluid in the reaction channel 3 can be adjusted to various temperatures, and a microfluidic device with good temperature control can be provided. it can.
  • the device of the present invention can be applied to a polymerase chain reaction (PCR) device.
  • the PCR method is a reaction for amplifying the number of DNA (deoxyribonucleic acid). Specifically, the denaturation temperature (about 95 ° C.), annealing temperature (about 60 ° C.), and extension temperature (about 60 to 75 ° C.) are applied to the reaction solution containing the DNA fragment to be amplified, the polymerase enzyme, and the primer. The DNA is increased exponentially by repeating about 30 to 50 cycles.
  • a high temperature range for example, 95 ° C. to 98 ° C.
  • a low temperature range for example, 50 ° C. to 75 ° C.
  • the time for staying in each temperature region is controlled by controlling the speed of the reaction fluid. According to the present invention, since the temperature in the temperature region can be controlled uniformly, the reaction can be repeated at the same temperature in all PCR cycles, so that very efficient amplification is possible.

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Abstract

　ヒータブロックとデバイスとの熱伝達を向上させるための密着手段を必要としない、簡易な構造を有するヒータ付きマイクロ流体デバイスであって、均一な温度領域を形成することができる小型化されたマイクロ流体デバイスを提供すること。本発明に係るマイクロ流体デバイスは、基板と、該基板に形成された反応流路と、前記反応流路を加熱する温度調節ヒータと、を備え、　前記基板上に、前記反応流路が形成された反応流路形成領域と、前記温度調節ヒータが形成された温度調節ヒータ形成領域と、が交互に配置され、　前記反応流路形成領域に、反応流路が少なくとも１回折り返して形成され、　前記温度調節ヒータ形成領域に、温度調節ヒータが少なくとも１回折り返して形成されていることを特徴とする。

Description

マイクロ流体デバイス
　本発明は、微小反応デバイス（マイクロリアクタ）や集積型ＤＮＡデバイス、微小電気泳動デバイスなどの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等を行うことができる。
　ここで、特許文献１には、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に行う方法として、マイクロ流体デバイスを用いた方法が開示されている。
　当該特許文献１では、デバイス基板を、異なる温度領域に分割し、当該分割された温度領域に、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方法が開示されている。このような構成により、蛇行流路中に流体を流通させるだけで、所望の温度変化を与えることができるため、流体温度を高速に変化させる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に記載された従来の方法では、図８に示すように、マイクロ流体デバイス１０１の外部に取り付けられた大型の外部ヒータブロック１００によりマイクロ流体デバイス１０１を加熱しているために、１）外部ヒータブロック１０の大きさの分だけシステム全体が大型化してしまう、２）ヒータブロック１００とマイクロ流体デバイス１０１との熱伝達を向上させるために、ヒータブロック１００とマイクロ流体デバイス１０１との密着手段が必要となるため装置が複雑化してしまう、などの問題があった。
　また、ヒータブロック１００には加熱むらがあるため、反応流路内の流体を均一に加熱することが困難であるという問題があった。
　本発明は上記事情に鑑み成されたものであり、その目的とするところは、均一な温度領域を形成することができ、簡易な構造を有する小型化されたヒータ付きマイクロ流体デバイスを提供することにある。
　上記課題を解決するため、本発明に係るマイクロ流体デバイスは、基板と、該基板に形成された反応流路と、前記反応流路を加熱する温度調節ヒータと、を備えるマイクロ流体デバイスであって、
　前記基板上に、前記反応流路が形成された反応流路形成領域と、前記温度調節ヒータが形成された温度調節ヒータ形成領域と、が交互に配置され、
　前記反応流路形成領域に、反応流路が少なくとも１回折り返して形成され、
　前記温度調節ヒータ形成領域に、温度調節ヒータが少なくとも１回折り返して形成されたことを特徴とする。
　また、本発明に係るマイクロ流体デバイスにおいて、それぞれ前記反応流路形成領域と前記温度調節ヒータ形成領域とが一方向に交互に配置されてなる第１の温度領域と第２の温度領域とを有し、
　前記第１の温度領域と前記第２の温度領域とが、前記一方向とは異なる方向に並置されてなることを特徴とする。
　また、本発明に係るマイクロ流体デバイスにおいて、前記第１の温度領域に含まれる第１の反応流路形成領域と、前記第２の温度領域に含まれる第２の反応流路形成領域と、が互いに違いに配置され、
　近接する、第１の反応流路形成領域および第２の反応流路形成領域に形成された反応流路同士が連通して形成されていることを特徴とする。
　また、本発明に係るマイクロ流体デバイスにおいて、前記第１の温度領域に含まれる第１の温度調節ヒータ形成領域と、前記第２の温度領域に含まれる第２の温度調節ヒータ形成領域と、が互い違いに配置され、
　近接する、第１の温度調節ヒータ形成領域および第２の温度調節ヒータ形成領域に形成された温度調節ヒータ同士が連続して形成されていることが好ましい。
　特に、本発明に係るマイクロ流体デバイスにおいて、一の前記温度調節ヒータ形成領域に、折り返し蛇行して形成された温度調節ヒータを２以上有してなることが好ましい。
　同様、本発明に係るマイクロ流体デバイスにおいて、一の前記反応流路形成領域に、それぞれ折り返し蛇行して形成され分離された反応流路を２以上有してなることが好ましい。
　また、本発明に係るマイクロ流体デバイスにおいて、一の前記温度調節ヒータ形成領域における前記温度調節ヒータの折り返しの回数が、１～１０であることが好ましい。
　同様、本発明に係るマイクロ流体デバイスにおいて、一の前記反応流路形成領域における前記反応流路の折り返しの回数が、１～１０であることが好ましい。
　本発明に係るマイクロ流体デバイスは、基板上に保護基板をさらに備えていてもよく、前記保護基板により、前記基板に外方開口して形成された反応流路及び前記基板に配置された温度調節ヒータが覆われてなる。
　本発明に係るマイクロ流体デバイスにおいて、前記２以上の温度領域の境界において、前記基板の裏面に開口して形成された分離溝を有していてもよい。
　本発明に係るマイクロ流体デバイスにおいて、前記境界において、前記基板の裏面から表面に貫通するように形成された貫通孔をさらに備えていてもよい。
　さらに、本発明に係るマイクロ流体デバイスにおいて、前記温度調節ヒータが形成されている面と、前記基板の表面と、の間に段差が形成されていてもよく、前記温度調節ヒータが、前記基板の表面から突出していないことが好ましい。
　本発明に係るマイクロ流体デバイスにおいて、前記温度調節ヒータが、金属薄膜ヒータ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２以上の温度調節ヒータが別々に温度調節可能であることが好ましい。
　また、本発明は、上述のマイクロ流体デバイスを、ポリメラーゼ連鎖反応デバイスとして用いることができる。
　本発明に係るマイクロ流体デバイスによれば、基板上に、反応流路が少なくとも１回折り返して形成された反応流路形成領域と、温度調節ヒータが少なくとも１回折り返して形成された温度調節ヒータ形成領域と、が交互に配置されているため、均一な温度領域を形成することができる。特に、反応流路が反応流路形成領域において１回折り返して形成された突状部と、温度調節ヒータが温度調節ヒータ形成領域において１回折り返して形成された突状部とが、入れ子状に配置されている場合、反応流路を温度調節ヒータにより均一に加熱することができる。さらに、温度調節ヒータ形成領域が基板上に形成されているため、ヒータブロックとマイクロ流体デバイスとの熱伝達を向上させるための密着手段を必要とせず、密着手段を要しないことから簡易な構造とすることができる。さらにまた、基板上に温度調節ヒータが形成され別途ヒータブロックを必要とせず、厚さが薄い例えば金属薄膜を基板上に印刷等するだけで温度調節ヒータを形成することができるため、マイクロ流体デバイスを小型化することができる。
　したがって、本発明に係るマイクロ流体デバイスによれば、均一な温度領域を形成することができ、簡易な構造を有する小型化されたヒータ付き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は、本発明の実施の形態１に係るマイクロ流体デバイスを構成する基板の上面図である。 図３は、本発明の実施の形態２に係るマイクロ流体デバイスを構成する基板の上面図である。 図４（ａ）～（ｄ）は、本発明の実施の形態２に係るマイクロ流体デバイスであって、２以上の温度領域の境界に分離溝を有するマイクロ流体デバイスの断面図である。 図５は、本発明の実施の形態２の別の態様に係るマイクロ流体デバイスの上面図である。 図６は、本発明の実施の形態２のさらに別の態様に係るマイクロ流体デバイスの上面図である。 図７は、本発明の実施の形態３に係るマイクロ流体デバイスの上面図である。 図８（ａ）は、従来のマイクロ流体デバイスの上面図であり、図８（ｂ）は、その断面図である。
　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）
　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の斜視図である。図１に示すように、実施の形態１に係るマイクロ流体デバイス１は、基板２と、基板２上に形成された反応流路３と、基板２上に反応流路３に近接して形成された温度調節ヒータ４であって、反応流路３を加熱するために設けられた温度調節ヒータ４と、を備える。
　図２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を構成する基板２の上面図である。図２に示すように、基板２上に、反応流路３が形成された反応流路形成領域５と、温度調節ヒータ４が形成された温度調節ヒータ形成領域６と、が一の方向（本実施の形態１では基板の長手方向）に交互に配置されている。温度調節ヒータ４が反応流路３に沿ってこれに近接して形成されているため、温度調節ヒータ４によって反応流路３内の流体等を均一に加熱することができる。
　反応流路形成領域５において形成された反応流路３の上面視形状は特に図２等に示された略Ｕ字状のものに限定されることはなく、如何なる形状であっても良い。また、複数の反応流路３のうちいずれかの反応流路３は、他のいずれかの反応流路３と形状が異なっていても良いし同じであってもよい。しかしながら、均熱性の観点から、これらの形状は同じであることが好ましい。これにより、反応流路３内の流体等を均一に加熱することができる。
　また、反応流路３は、同一の反応流路形成領域５内において均一に形成されていることが好ましい。ここで、「反応流路３が同一の反応流路形成領域５内において均一に形成されている」とは、複数の反応流路形成領域５のうち一の反応流路形成領域５内に反応流路３が等密度に形成されていることを意味する。
　温度調節ヒータ４の上面視形状及び均一形成についても同様のことが言える。上記同様、温度調節ヒータ４を同一の温度調節ヒータ形成領域６に均一に形成することにより、反応流路３を均一に加熱することができるため均熱性を得ることができる。
　以下、本実施の形態１では、反応流路３及び温度調節ヒータ４の上面視形状が、折り返し部を先端（突部）として突状である場合を一例として説明する。
　本発明の実施の形態１では、反応流路形成領域５には、図２に示すように、反応流路３が少なくとも１回以上折り返して形成され突状とされている。これにより、突状部が形成されている。ここで、「反応流路３が折り返して形成されている」とは、図２に示すように、反応流路３が直線的に一方向に延伸した後、ある位置で当該一方向と反対方向（例えば当該一方向に対して略１８０°の方向）に旋回して折り返されさらに当該反対方向に直線的に延伸していることを意味する。折り返し部は、図２に示すように、不連続的に（先端における接線の傾きが不連続に変化するように）折り返されたもの（すなわち例えば略コの字状（一方が開口した四角形状）のもの）であってもよいし、緩やかに連続的に（先端における接線の傾きが連続して変化するように）湾曲するようなもの（すなわち略Ｕ字状のもの）であってもよい。反応流路３の折り返しの回数は１回に限定されるものではなく、２以上（例えば２～５０回程度）であってもよい。
　また、温度調節ヒータ形成領域６においても、温度調節ヒータ４が少なくとも１回折り返して形成され突状とされている。ここで、温度調節ヒータ４が折り返して形成されているとは、上記同様、図２に示すように、温度調節ヒータ４が直線的に一方向に延伸した後、ある位置で当該一方向と反対方向（例えば当該一方向に対して略１８０°の方向）に旋回して折り返され直線的に当該反対方向に延伸していることを意味する。折り返し部は、不連続的に（先端における接線の傾きが不連続に変化するように）折り返されたもの（すなわち例えば略コの字状（一方が開口した四角形状））であってもよいし、図２に示すように、先端において緩やかに連続的に（先端における接線の傾きが連続に変化するように）湾曲するようなもの（すなわち略Ｕ字状のもの）であってもよい。温度調節ヒータ４の折り返しの回数は１回に限定されるものではなく、２以上（例えば２～５０回程度）であってもよい。
　温度調節ヒータ４の折り返し部が２以上含まれ突状部が２以上形成されている場合、折り返し部に対して反対側において突状部同士が接続され、図２に示すように温度調節ヒータ４が蛇行して形成される。
　図２に示すように、「突状部」とは、上述のように所定長さ（形成領域（反応流路形成領域５、温度調節ヒータ形成領域６）の長手方向（例えば図３のＱ方向）の幅長と略同じ長さ）だけ一方向（例えば図３のＱ方向）に延伸した後折り返され一方向と反対方向に同じ長さだけ延伸して形成された部分を意味する。温度調節ヒータ４が、その各突状部が等間隔となるよう蛇行して配置され、同様に、反応流路３が、その各突状部が等間隔となるように蛇行して配置され、温度調節ヒータ４の各突状部間に、反応流路３の突状部が配置されている。すなわち、反応流路３の各突状部が、２つの連続する温度調節ヒータ４の突状部との間に入り込み、かつ、温度調節ヒータ４の各突状部が、２つの連続する反応流路３の突状部との間に入り込むように入れ子状に配置されている。これにより、温度調節ヒータ４を反応流路３に近接して配置することができ、温度調節ヒータ４により効率よく均一に反応流路３を加熱することができる。本発明において、「入れ子状」とは、反応流路３の各突状部が、２つの連続する温度調節ヒータ４の突状部間に入り込み、かつ、温度調節ヒータ４の各突状部が、２つの連続する反応流路３の突状部間に入り込むことを意味する。
　以上のように、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、ヒータブロックとデバイスとの熱伝達を向上させるための密着手段を必要としない、簡易な構造を有するヒータ付きマイクロ流体デバイス１であって、均一な温度領域を形成することができる小型化された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２）
　図３は、本発明の実施の形態２に係るマイクロ流体デバイス１であって、温度領域（第１の温度領域１０、第２の温度領域１１）が２列並置された態様に係るマイクロ流体デバイス１の上面図である。
　図３に示すように、第１の温度領域１０と第２の温度領域１１とがマイクロ流体デバイス１上に形成され、第１の温度領域１０及び第２の温度領域１１のそれぞれにおいて、反応流路形成領域５と温度調節ヒータ形成領域６とが一方向Ｐに交互に配置されて形成されている。第１の温度領域１０と第２の温度領域１１とが、一方向Ｐとは異なる方向、例えば一方向に対して略直角の方向Ｑに並置されている。
　本発明の実施の形態２に係るマイクロ流体デバイス１において、図３に示すように、第１の温度領域１０に含まれる第１の反応流路形成領域５ａと、第２の温度領域１１に含まれる第２の反応流路形成領域５ｂと、を互いに違いに配置してもよく、近接する、第１の反応流路形成領域５ａおよび第２の反応流路形成領域５ｂに形成された反応流路３同士が連通して形成されていることが好ましい。これにより、反応流路３の突状部をＤ－Ｄ’を中心として左右に交互に形成することができる。すなわち、奇数番目の突状部を例えば左側、偶数番目の突状部を右側に配置することができる。これにより、第１の温度領域１０と第２の温度領域１１とに跨って温度調節ヒータ４を蛇行して形成することができる。第１の温度領域１０と第２の温度領域１１とで異なる温度に設定することができるため、一の反応流路３を異なる温度で加熱することができる。
　すなわち、第１の温度領域１０が、第１の反応流路形成領域５ａと、第１の温度調節ヒータ形成領域６ａと、が交互に配置されて形成されるとともに、第２の温度領域１１が、第２の反応流路形成領域５ｂと、第２の温度調節ヒータ形成領域６ｂと、が交互に配置されて形成され、第１の温度領域１０に含まれる複数の第１の反応流路形成領域５ａと、第２の温度領域１１に含まれる複数の第２の反応流路形成領域５ｂと、がそれぞれ一つずつずれた状態で互い違いに配置されている。そして、第１の温度領域１０に含まれる複数の第１の反応流路形成領域５ａ、及び、第２の温度領域１１に含まれる複数の第２の反応流路形成領域５ｂのうち、近接するもの同士、ジグザグに配置されている。より詳細には、図３に示すように、第１の温度領域１０に含まれる第１の反応流路形成領域５ａ（Ａ１）が、第２の温度領域１１に含まれる第２の反応流路形成領域５ｂ（Ｂ１）と近接して配置され、第２の温度領域１１に含まれる第２の反応流路形成領域５ｂ（Ｂ１）が、第１の温度領域１０に含まれる第１の反応流路形成領域５ａ（Ａ２）と近接して配置されている。そして、第１の温度領域１０に含まれる第１の反応流路形成領域５ａ（Ａ２）が、第２の温度領域１１に含まれる第２の反応流路形成領域５ｂ（Ｂ２）と近接して配置され、第２の温度領域１１に含まれる第２の反応流路形成領域５ｂ（Ｂ２）が、第１の温度領域１０に含まれる第１の反応流路形成領域５ａ（Ａ３）と近接して配置されている。さらに、第１の温度領域１０に含まれる第１の反応流路形成領域５ａ（Ａ３）が、第２の温度領域１１に含まれる第２の反応流路形成領域５ｂ（Ｂ３）と近接して配置され、第２の温度領域１１に含まれる第２の反応流路形成領域５ｂ（Ｂ３）が、第１の温度領域１０に含まれる第１の反応流路形成領域５ａ（Ａ４）と近接して配置されている。さらに、第１の温度領域１０に含まれる第１の反応流路形成領域５ａ（Ａ４）が、第２の温度領域１１に含まれる第２の反応流路形成領域５ｂ（Ｂ４）と近接して配置され、第２の温度領域１１に含まれる第２の反応流路形成領域５ｂ（Ｂ４）が、第１の温度領域１０に含まれる第１の反応流路形成領域５ａ（Ａ５）と近接して配置されている。さらにまた、第１の温度領域１０に含まれる第１の反応流路形成領域５ａ（Ａ５）が、第２の温度領域１１に含まれる第２の反応流路形成領域５ｂ（Ｂ５）と近接して配置され、第２の温度領域１１に含まれる第２の反応流路形成領域５ｂ（Ｂ５）が、第１の温度領域１０に含まれる第１の反応流路形成領域５ａ（Ａ６）と近接して配置されている。さらに、第１の温度領域１０に含まれる第１の反応流路形成領域５ａ（Ａ６）が、第２の温度領域１１に含まれる第２の反応流路形成領域５ｂ（Ｂ６）と近接して配置されている。
　また、第１の温度領域１０において、第１の反応流路形成領域５ａの、一方向Ｐについての両隣りの第１の温度調節ヒータ形成領域６ａに形成された温度調節ヒータ４同士が連続して形成され、第１の温度領域１０において、一の連続する温度調節ヒータ４が一の連続する反応流路３と入れ子状に形成されている。より詳細には、図３に示すように、第１の温度領域１０において、反応流路形成領域５ａ（Ａ１）と反応流路形成領域５ａ（Ａ２）との間には、温度調節ヒータ形成領域６ａ（Ｃ１）が形成され、反応流路形成領域５ａ（Ａ２）と反応流路形成領域５ａ（Ａ３）との間には、温度調節ヒータ形成領域６ａ（Ｃ２）が形成されている。また、反応流路形成領域５ａ（Ａ３）と反応流路形成領域５ａ（Ａ４）との間には、温度調節ヒータ形成領域６ａ（Ｃ３）が形成され、反応流路形成領域５ａ（Ａ４）と反応流路形成領域５ａ（Ａ５）との間には、温度調節ヒータ形成領域６ａ（Ｃ４）が形成されている。同様に、反応流路形成領域５ａ（Ａ５）と反応流路形成領域５ａ（Ａ６）との間には、温度調節ヒータ形成領域６ａ（Ｃ５）が形成され、反応流路形成領域５ａ（Ａ６）の隣りには（一方向Ｐ（すなわちＰ軸の正の方向）について隣り）、温度調節ヒータ形成領域６ａ（Ｃ６）が形成されている。そして、第１の温度調節ヒータ形成領域６ａ（Ｃ１～Ｃ６）に形成された温度調節ヒータ４が図３に示すように接続されており、これにより一の連続した温度調節ヒータ４が形成されている。そして、第１の温度領域１０において、一の連続する温度調節ヒータ４の左側の突状部が一の連続する反応流路３の突状部と入れ子状に形成されている。
　同様に、第２の温度領域１１において、第２の反応流路形成領域５ｂの、一方向Ｐについての両隣りの第２の温度調節ヒータ形成領域６ｂに形成された温度調節ヒータ４同士が連続して形成され、第２の温度領域１１において、一の連続する温度調節ヒータ４が形成されている。より詳細には、図３に示すように、第２の温度領域１１において、反応流路形成領域５ｂ（Ｂ１）の隣り（一方向Ｐと反対方向（Ｐ軸の負の方向）について隣り）には、温度調節ヒータ形成領域６ｂ（Ｄ１）が形成され、反応流路形成領域５ｂ（Ｂ１）と反応流路形成領域５ｂ（Ｂ２）との間には、温度調節ヒータ形成領域６ｂ（Ｄ２）が形成されている。また、反応流路形成領域５ｂ（Ｂ２）と反応流路形成領域５ｂ（Ｂ３）との間には、温度調節ヒータ形成領域６ｂ（Ｄ３）が形成され、反応流路形成領域５ｂ（Ｂ３）と反応流路形成領域５ｂ（Ｂ４）との間には、温度調節ヒータ形成領域６ｂ（Ｄ４）が形成されている。同様に、反応流路形成領域５ｂ（Ｂ４）と反応流路形成領域５ｂ（Ｂ５）との間には、温度調節ヒータ形成領域６ｂ（Ｄ５）が形成され、反応流路形成領域５ｂ（Ｂ５）と反応流路形成領域５ｂ（Ｂ６）との間には、温度調節ヒータ形成領域６ｂ（Ｄ６）が形成されている。そして、第２の温度調節ヒータ形成領域６ｂ（Ｄ１～Ｄ６）に形成された温度調節ヒータ４が図３に示すように接続されており、これにより一の連続した温度調節ヒータ４が形成されている。そして、第２の温度領域１１において、一の連続する温度調節ヒータ４の右側の突状部が一の連続する反応流路３の突状部と入れ子状に形成されている。
　図３に示すように、第１の温度領域１０において、等間隔となるよう蛇行して配置された温度調節ヒータ４の各突状部間に、同じく等間隔となるように蛇行して配置された反応流路３の突状部が配置されるため均熱性を良好なものとすることができる。すなわち、反応流路３の各突状部が、２つの連続する温度調節ヒータ４の突状部との間に入り込み、かつ、温度調節ヒータ４の各突状部が、２つの連続する反応流路３の突状部との間に入り込むように入れ子状に配置することにより、温度調節ヒータ４を反応流路３に近接して配置することができるため効率よく均一に加熱することができる。また、第２の温度領域１１においても同様のことが言える。
　また、図５に示すように、一の反応流路形成領域５（第１の反応流路形成領域５ａ、第２の反応流路形成領域５ｂ）に、それぞれ、反応流路３の突状部が２つ形成されていてもよい。また、図６に示すように、一の反応流路形成領域５に、それぞれ、反応流路３の突状部が７つ形成されていてもよい。このような構成とすることにより、より高温に加熱することができ、急速な加熱を実現することができる。
　本発明の実施の形態２に係るマイクロ流体デバイス１において、一の温度調節ヒータ形成領域６における温度調節ヒータ４の折り返しの回数が、１～５０であることが好ましい。より好ましくは、１～１０である。温度調節ヒータ４の折り返しの回数をこのような範囲とすることにより、急速加熱を実現するとともに均一加熱を実現することができる。
　本発明の実施の形態２に係るマイクロ流体デバイス１は、図１に示すように、基板２上に保護基板２０をさらに備えていることが好ましく、保護基板２０により、基板２に外方開口して形成された反応流路３及び基板２に配置された温度調節ヒータ４が覆われている。このような構成とすることにより、温度調節ヒータ４を保護することができるとともに、反応流路３内の流体が反応流路３から漏れ出すことを防止することができる。
　保護基板２０としては、基板２上に形成された温度調節ヒータ４および反応流路３を良好に保護することが可能であれば如何なる材料で構成されていてもよい。
　図４（ａ）～（ｄ）は、本発明の実施の形態２に係るマイクロ流体デバイス１であって、２以上の温度領域の境界に分離溝を有するマイクロ流体デバイス１の断面図である。図４（ａ）は、図３に図示されたマイクロ流体デバイス１のＡ－Ａ’断面における断面図であり、図４（ｂ）は、図３に図示されたマイクロ流体デバイス１のＢ－Ｂ’断面における断面図である。また、図４（ｃ）は、図３に図示されたマイクロ流体デバイス１のＣ－Ｃ’断面における断面図であり、図４（ｄ）は、図３に図示されたマイクロ流体デバイス１のＤ－Ｄ’断面における断面図である。
　図４（ｂ）に示すように、２以上の温度領域１０、１１の境界において、基板２の裏面に開口して分離溝３０が形成されていてもよい。２つの温度領域１０、１１は、図４（ｂ）に示すように、分離溝３０以外の部分で繋がっていてもよい。分離溝３０は、温度領域間の熱絶縁性を向上させるものである。したがって、上述のように、２以上の温度領域の境界において分離溝３０を形成することにより、温度領域１０、１１間の熱絶縁性を向上させることができる。分離溝３０は、温度領域１０、１１間の熱絶縁性を向上させるものである以上、断面形状は如何なる形状であってもよい。分離溝３０を容易に形成することができる点で、好適には、分離溝３０の断面形状は矩形である。また、分離溝３０は、温度領域１０、１１間の熱絶縁性を向上させるものであるため、必ずしも基板２の裏面に開口している必要はなく、基板２の表面及び裏面の両方において開口していなくてもよい（すなわち、閉じられた空間が基板２の温度領域１０と１１との間に形成されていてもよい）。基板２の表面及び裏面の両方において閉じていたとしても、温度領域１０、１１間の熱絶縁性を良好に向上させることができる。
　本発明の実施の形態１に係るマイクロ流体デバイス１において、図４（ａ）、（ｄ）に示すように、２つの温度領域１０、１１の境界において、基板２の裏面から表面に貫通するように形成された貫通孔３１をさらに備えていてもよい。このような構成とすることにより、温度領域１０、１１間の熱絶縁性をより向上させることができる。
　さらに、本発明の実施の形態１に係るマイクロ流体デバイス１において、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、温度調節ヒータ４が形成されている面と、基板２の最表面と、の間に段差が形成され、温度調節ヒータ４が、基板２の最表面から突出していないことが好ましい。このように構成することにより、基板２と保護基板２０とを容易に接合することができ、歩留まりの向上を図ることができる。
　本発明の実施の形態１に係るマイクロ流体デバイス１において、温度調節ヒータ４が、金属薄膜ヒータであることが好ましい。温度調節ヒータ４を金属薄膜ヒータとすることにより、デバイス上に容易に集積化することができる。
　ここで、金属薄膜ヒータに用いられる材料としては、金、白金、銅、アルミニウム等の金属を例示することができる。これらの材料は、低抵抗で、かつ作製容易であるため好適に用いることができる。
　金属薄膜ヒータの形成方法としては、公知の方法であるスパッタ法や蒸着法等を用いることができる。
　また、本発明の実施の形態１に係るマイクロ流体デバイス１において、２以上の温度調節ヒータ４が別々に温度調節可能であることが好ましい。２以上の温度調節ヒータ４が別々に温度調節可能であることにより、温度制御を高精度に行うことができる。
　以上のように、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、ヒータブロックとデバイスとの熱伝達を向上させるための密着手段を必要としない、簡易な構造を有するヒータ付きマイクロ流体デバイス１であって、均一な温度領域を形成することができる小型化されたマイクロ流体デバイス１を提供することができる。さらに、２以上の異なる温度を有する温度領域を形成することができるため、反応流路３内の流体を様々な温度に調整することができ、温度制御が良好なマイクロ流体デバイスを提供することができる。
（実施の形態３）
　図８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であって、温度領域（第１の温度領域１０、第２の温度領域１１、第３の温度領域１２）が３列並置されたマイクロ流体デバイス１の上面図である。実施の形態２においては、温度領域が２列並置されているのに対して、実施の形態３においては、温度領域が３列並置されている点で異なる。それ以外の点で、実施の形態１、２と同様である。
　図８に示すように、第１の温度領域１０と第２の温度領域１１と第３の温度領域１２とがマイクロ流体デバイス１上に形成され、第１の温度領域１０、第２の温度領域１１及び第３の温度領域１２のそれぞれに、反応流路形成領域５と温度調節ヒータ形成領域６とが一方向Ｐに交互に配置されている。第１の温度領域１０、第２の温度領域１１および第３の温度領域１２は、一方向Ｐとは異なる方向、例えば一方向に対して略直角の方向Ｑに並置されている。
　本発明の実施の形態３に係るマイクロ流体デバイス１において、第１の温度領域１０に含まれる第１の反応流路形成領域５ａと、第２の温度領域１１に含まれる第２の反応流路形成領域５ｂと、が互い違いに配置され、近接する、第１の反応流路形成領域５ａ及び第２の反応流路形成領域５ｂに形成された反応流路３同士が連通して形成されて、第１の温度領域１０と第２の温度領域１１とに一の連続する反応流路３が形成されている。
　また、第２の温度領域１１に含まれる第２の温度調節ヒータ形成領域６ｂと、第３の温度領域１２に含まれる第３の温度調節ヒータ形成領域６ｃと、が互い違いに配置され、近接する、第２の温度調節ヒータ形成領域６ｂおよび第３の温度調節ヒータ形成領域６ｃに形成された温度調節ヒータ４同士が連続して形成されて、第２の温度領域１１と第３の温度領域１２とに一の連続する温度調節ヒータ４が形成されている。
　また、第１の温度領域１０において、第１の反応流路形成領域５ａの両隣りの第１の温度調節ヒータ形成領域６ａに形成された温度調節ヒータ４同士が連続して形成されて、第１の温度領域１０において、一の連続する温度調節ヒータ４が形成されている。
　同様に、第３の温度領域１２において、第３の温度調節ヒータ形成領域６の両隣りの第３の反応流路形成領域５に形成された反応流路３同士が連通して形成されて、第３の温度領域１２において、一の連続する反応流路３が形成されている。
　これにより、温度領域を３列並置させたマイクロ流体デバイス１を作製することができる。また、２つの温度領域に跨る一の連続する反応流路３及び／又は温度調節ヒータ４を増加させれば、温度領域を４列以上形成することができる。
　また、本実施の形態２に係るマイクロ流体デバイス１において、第１の温度領域１０、第２の温度領域１１、第３の温度領域１２に含まれる一の温度調節ヒータ形成領域６に形成された、温度調節ヒータ４の折り返しの回数を２回以上としてもよい。これにより反応流路３内の流体（反応物質等）の反応効率を上げることができる。
　さらに、本実施の形態２に係るマイクロ流体デバイス１において、第１の温度領域１０、第２の温度領域１１、第３の温度領域１２に含まれる一の反応流路形成領域５に形成された、反応流路３の折り返しの回数を２回以上としてもよい。
　以上のように、本実施の形態３に係るマイクロ流体デバイス１によれば、ヒータブロックとデバイスとの熱伝達を向上させるための密着手段を必要としない、簡易な構造を有するヒータ付きマイクロ流体デバイス１であって、均一な温度領域を形成することができる小型化されたマイクロ流体デバイス１を提供することができる。さらに、３以上の異なる温度を有する温度領域を形成することができるため、反応流路３内の流体を様々な温度に調整することができ、温度制御が良好なマイクロ流体デバイスを提供することができる。
　また、本発明のデバイスを用いて、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）デバイスに応用することができる。ＰＣＲ法は、ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）の数を増幅させる反応である。具体的には、増幅すべきＤＮＡ断片、ポリメラーゼ酵素、プライマを含んで成る反応溶液に対し、変性温度（約９５℃）、アニール温度（約６０℃）、伸長温度（約６０～７５℃）を、３０～５０サイクル程度繰り返すことによって、ＤＮＡを指数関数的に増加させるものである。
　変性反応を行う高温の温度領域（例えば９５℃～９８℃）と、アニール、伸長反応を行う低温の温度領域（例えば５０℃～７５℃）をヒータにより形成する。ここでは、アニール反応と伸長反応を同じ温度で実施する場合について説明するが、これらを異なる温度とし、温度領域を別々に形成してもかまわない。各温度領域に滞在する時間は、反応流体の速度を制御して行う。本発明によると、温度領域の温度を均一に制御することができるため、すべてのＰＣＲサイクルにおいて同じ温度で反応を繰り返すことができるため、非常に効率の良い増幅が可能である。
　１　マイクロ流体デバイス
　２　基板
　３　反応流路
　４　温度調節ヒータ
　５　反応流路形成領域
　５ａ　第１の反応流路形成領域
　５ｂ　第２の反応流路形成領域
　６　温度調節ヒータ形成領域
　６ａ　第１の温度調節ヒータ形成領域
　６ｂ　第２の温度調節ヒータ形成領域
　１０　第１の温度領域
　１１　第２の温度領域
　１２　第３の温度領域

Claims (15)

  1. 　基板と、該基板に形成された反応流路と、前記反応流路を加熱する温度調節ヒータと、を備えるマイクロ流体デバイスであって、
    　前記基板上に、前記反応流路が形成された反応流路形成領域と、前記温度調節ヒータが形成された温度調節ヒータ形成領域と、が交互に配置され、
    　前記反応流路形成領域に、反応流路が少なくとも１回折り返して形成され、
    　前記温度調節ヒータ形成領域に、温度調節ヒータが少なくとも１回折り返して形成されたマイクロ流体デバイス。
  2. 　それぞれ前記反応流路形成領域と前記温度調節ヒータ形成領域とが一方向に交互に配置されてなる第１の温度領域と第２の温度領域とを有し、
    　前記第１の温度領域と前記第２の温度領域とが、前記一方向とは異なる方向に並置されてなる請求項１記載のマイクロ流体デバイス。
  3. 　前記第１の温度領域に含まれる第１の反応流路形成領域と、前記第２の温度領域に含まれる第２の反応流路形成領域と、が互い違いに配置され、
    　近接する、第１の反応流路形成領域および第２の反応流路形成領域に形成された反応流路同士が連通して形成された請求項２記載のマイクロ流体デバイス。
  4. 　前記第１の温度領域に含まれる第１の温度調節ヒータ形成領域と、前記第２の温度領域に含まれる第２の温度調節ヒータ形成領域と、が互い違いに配置され、
    　近接する、第１の温度調節ヒータ形成領域および第２の温度調節ヒータ形成領域に形成された温度調節ヒータ同士が連続して形成された請求項２記載のマイクロ流体デバイス。
  5. 　一の前記温度調節ヒータ形成領域に、折り返し蛇行して形成された温度調節ヒータを２以上有してなる請求項１～４のいずれかに記載のマイクロ流体デバイス。
  6. 　一の前記反応流路形成領域に、それぞれ折り返し蛇行して形成され分離された反応流路を２以上有してなる請求項１～５のいずれかに記載のマイクロ流体デバイス。
  7. 　一の前記温度調節ヒータ形成領域における前記温度調節ヒータの折り返しの回数が、１～１０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. 　一の前記反応流路形成領域における前記反応流路の折り返しの回数が、１～１０である請求項１～７のいずれかに記載のマイクロ流体デバイス。
  9. 　保護基板をさらに備え、
    　前記保護基板により、前記基板に外方開口して形成された反応流路及び前記基板に配置された温度調節ヒータが覆われてなる請求項１～８のいずれかに記載のマイクロ流体デバイス。
  10. 　前記２以上の温度領域の境界において、分離溝を有する請求項２に記載のマイクロ流体デバイス。
  11. 　前記境界において、前記基板の裏面から表面に貫通するように形成された貫通孔をさらに備える請求項１０記載のマイクロ流体デバイス。
  12. 　前記温度調節ヒータが形成されている面と、前記基板の表面と、の間に段差が形成され、前記温度調節ヒータが、前記基板の表面から突出していない請求項１～１１のいずれかに記載のマイクロ流体デバイス。
  13. 　前記温度調節ヒータが、金属薄膜ヒータである請求項１～１２のいずれかに記載のマイクロ流体デバイス。
  14. 　前記２以上の温度調節ヒータが別々に温度調節可能である請求項５記載のマイクロ流体デバイス。
  15. 　請求項１～１４のいずれかに記載されたマイクロ流体デバイスを用いた、ポリメラーゼ連鎖反応デバイス。
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