マイクロ化学チップ
【課題】構成を大型化することなく、異なる複数の流体を効率よく混合することができるマイクロ化学チップを提供する。
【解決手段】供給部１３ａ，１３ｂから流路１２に２種類の被処理流体をそれぞれ流入させ、流入された２種類の被処理流体を合流させて予め定める処理を施すマイクロ化学チップ１において、供給部１３ａ，１３ｂが接続される位置２２よりも被処理流体の流通方向下流側の流路１２、たとえば領域２３の流路１２に屈曲部分Ｒ１〜Ｒ４を形成する。屈曲部分Ｒ１〜Ｒ４を通過する際に、合流された２種類の被処理流体に乱流を発生させることができるので、混合に必要な流路を短くしても、合流された複数の被処理流体を効率よく混合させることができる。これによって、小型のマイクロ化学チップ１を実現することができ、マイクロ化学チップを用いたマイクロ化学システムの小型化を図ることができる。
【解決手段】供給部１３ａ，１３ｂから流路１２に２種類の被処理流体をそれぞれ流入させ、流入された２種類の被処理流体を合流させて予め定める処理を施すマイクロ化学チップ１において、供給部１３ａ，１３ｂが接続される位置２２よりも被処理流体の流通方向下流側の流路１２、たとえば領域２３の流路１２に屈曲部分Ｒ１〜Ｒ４を形成する。屈曲部分Ｒ１〜Ｒ４を通過する際に、合流された２種類の被処理流体に乱流を発生させることができるので、混合に必要な流路を短くしても、合流された複数の被処理流体を効率よく混合させることができる。これによって、小型のマイクロ化学チップ１を実現することができ、マイクロ化学チップを用いたマイクロ化学システムの小型化を図ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小な流路を流通する基質や試薬などの被処理流体に対して、反応や分析などの予め定める処理を施すことのできるマイクロ化学チップに関し、さらに詳しくは、たとえば血液と試薬を混合して反応させる場合のように、異なる複数の被処理流体を混合させて予め定める処理を施すことができるマイクロ化学チップに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化学技術やバイオ技術の分野では、試料に対する反応や試料の分析などを微小な領域で行うための研究が行われており、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ；略称：ＭＥＭＳ）技術を用いて化学反応や生化学反応、試料の分析などのシステムを小型化したマイクロ化学システムが研究開発されている。
【０００３】
マイクロ化学システムにおける反応や分析は、マイクロ流路、マイクロポンプおよびマイクロリアクタなどが形成されたマイクロ化学チップと呼ばれる１つのチップを用いて行われる。たとえば、シリコン、ガラスまたは樹脂から成る１つの基体に、試料や試薬などの流体を供給するための供給口と、処理後の流体を導出するための採取口とを形成し、この供給口と採取口とを断面積が微小なマイクロ流路で接続し、流路の適当な位置に送液のためのマイクロポンプを配置したマイクロ化学チップが提案されている（特許文献１参照）。また、送液の手段として、マイクロポンプに代えて、電気浸透現象を利用したキャピラリ泳動型のものも提案されている（特許文献２参照）。これらのマイクロ化学チップでは、流路は所定の位置で合流しており、合流部で流体の混合が行われる。
【０００４】
マイクロ化学システムでは、従来のシステムに比べ、機器や手法が微細化されているので、試料の単位体積あたりの反応表面積を増大させ、反応時間を大幅に削減することができる。また流量の精密な制御が可能であるので、反応や分析を効率的に行うことができる。さらに反応や分析に必要な試料や試薬の量を少なくすることができる。
【特許文献１】特開２００２−２１４２４１号公報（第４−５頁，第１図）
【特許文献２】特開２００１−１０８６１９号公報（第４−５頁，第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したマイクロ化学チップでは、流路を流れる被処理流体は層流となる。そのため、複数の供給部からそれぞれ異なる複数の被処理流体を流路に流入させて混合させる場合は、流路を流れる間に生じる拡散現象を利用して複数の被処理流体を混合させるようにしている。したがって、複数の被処理流体を充分に混合させるためには、供給部が流路に接続される接続位置よりも下流側の流路を長く形成する必要がある。
【０００６】
しかし、被処理流体を充分に混合させるために流路を長く形成すると、マイクロ化学チップが大型化するという問題が生じる。
【０００７】
一方、マイクロ化学チップを小型化するために流路を短く形成すると、被処理流体の混合が不充分になるという問題が生じる。また、被処理流体の混合が不充分な状態では、反応等の予め定める処理を施しても、処理が不充分になる可能性が高くなるという問題も生じる。
【０００８】
本発明の目的は、構成を大型化することなく、異なる複数の被処理流体を効率よく混合することができるマイクロ化学チップを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るマイクロ化学チップは、被処理流体を流通させる流路と、流路に接続され且つ該流路に複数の被処理流体をそれぞれ流入させる複数の供給部とが設けられた基体を有し、複数の供給部から流路に複数の被処理流体をそれぞれ流入させ、流入された複数の被処理流体を合流させて処理を施すものであって、流路は、基体の表面に対して平行に延びる流路と、基体の表面に対して垂直に延びる流路とを接続してなる立体的な屈曲部分を有することを特徴とする。
【００１０】
本マイクロ化学チップの流路は、立体的な屈曲部分より被処理流体の流通方向下流側に、基体の表面に対して平行な一平面上で屈曲してなる平面的な屈曲部を有するのが好適である。
【００１１】
本マイクロ化学チップの基体は、その内部にヒータを備え、このヒータは、平面的な屈曲部の直下に位置するのが好適である。
【００１２】
本マイクロ化学チップの立体的な屈曲部は、基体表面からの距離が異なる位置で、該基体表面に対して平行に延びる複数の流路と、基体の厚み方向に延びる流路とを接続してなるのが好適である。
【００１３】
本マイクロ化学チップの基体はセラミック材料からなるのが好適である。
【００１４】
本マイクロ化学チップの基体は、積層したセラミックグリーンシートを焼成一体化してなるのが好適である。
【００１５】
本マイクロ化学チップは、基体に対してセラミックグリーンシートを焼成一体化してなる蓋体を備えるのが好適である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るマイクロ化学チップの流路は、基体の表面に対して平行に延びる流路と、基体の表面に対して垂直に延びる流路とを接続してなる立体的な屈曲部分を有している。基質や試薬などの複数の被処理流体は、複数の供給部から流路にそれぞれ流入され、合流されて流路の屈曲部分を流通し、分析や反応などの予め定める処理を施されるが、本発明の構成によると、流路の屈曲部分を合流された複数の被処理流体が流通するとき、合流された複数の被処理流体に乱流を発生させることができる。このように合流した被処理流体内に乱流を発生させることによって、複数の被処理流体を混合することができる。これによって、従来のように拡散のみによって混合させる場合に比べて短い流路であっても、複数の被処理流体を充分に混合させることができる。また、複数の被処理流体が充分に混合された状態で予め定める処理が施されるので、混合が不充分な場合に比べて、予め定める処理を確実に施すことができる。さらに、拡散のみによって混合させる場合に比べて流路の長さを短くすることができるので、マイクロ化学チップの小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１（ａ）は、本発明の実施の一形態であるマイクロ化学チップ１の構成を簡略化して示す平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すマイクロ化学チップ１の切断面線Ｉ−Ｉ、ＩＩ−ＩＩおよびＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面構成を示す部分断面図である。なお、図１（ｂ）では、切断面線Ｉ−Ｉ、ＩＩ−ＩＩおよびＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面構成を並べて示す。
【００１８】
マイクロ化学チップ１は、被処理流体を流通させる流路１２と、流路１２に被処理流体をそれぞれ流入させる２つの供給部１３ａ，１３ｂと、処理部１４と、処理後の流体を外部に導出する採取部１５とが設けられた基体１１を有する。基体１１は、一表面に溝部が形成された基体本体２０と被覆部である蓋体２１とを含み、基体本体２０の溝部３３，３４の形成された表面を蓋体２１で覆うことによって流路１２が形成されている。流路１２のうち、供給部１３ａ，１３ｂが接続される位置２２よりも被処理流体の流通方向下流側の参照符２３で示される領域に、屈曲部分Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を有している。屈曲部分Ｒ１〜Ｒ４は、基体１１の表面からの距離のそれぞれ異なる２つの流路１２ａ，１２ｂを、基体表面に対して垂直方向に延びる２つの流路１２ｃ，１２ｄで接続することによって形成されている。
【００１９】
供給部１３ａは、流路１２に接続される供給流路１７ａと、供給流路１７ａの端部に設けられる供給口１６ａと、流路１２に接続する位置２２よりも被処理流体の流通方向上流側に設けられるマイクロポンプ１８ａとを含む。同様に、供給部１３ｂは、供給流路１７ｂと、供給口１６ｂと、マイクロポンプ１８ｂとを含む。供給口１６ａ，１６ｂは、外部から供給流路１７ａ，１７ｂに被処理流体を注入することができるように開口されている。また採取部１５は、流路１２から被処理流体を外部に取出すことができるように開口で実現されている。
【００２０】
基体本体２０の内部であって、処理部１４の流路１２の下方には、ヒータ１９が設けられる。処理部１４の流路１２は、ヒータ１９の上方を複数回数通過するように屈曲して形成される。基体１１の表面には、ヒータ１９と外部電源とを接続するための図示しない配線がヒータ１９から導出されている。この配線は、ヒータ１９よりも抵抗値の低い金属材料で形成される。
【００２１】
マイクロ化学チップ１では、２つの供給部１３ａ，１３ｂから流路１２に２種類の被処理流体をそれぞれ流入させて合流させ、必要に応じて処理部１４においてヒータ１９を用いて流路１２を所定の温度で加熱し、流入された２種類の被処理流体を反応させ、得られた反応生成物を採取部１５から導出させる。
【００２２】
流路１２および供給流路１７ａ，１７ｂの断面積は、供給部１３ａ，１３ｂから流入される検体、試薬または洗浄液などを効率よく送液し混合するためには、２．５×１０−３ｍｍ２以上１ｍｍ２以下であることが好ましい。しかしながら、断面積が２．５×１０−３ｍｍ２〜１ｍｍ２程度の流路を流通する流体は、一般に層流状態で流れるので、２つの供給流路１７ａ，１７ｂを合流させただけでは、供給部１３ａ，１３ｂから流路１２にそれぞれ流入され合流された２種類の被処理流体は、拡散のみによって混合される。したがって、合流された２種類の被処理流体を完全に混合させるためには長い流路を設ける必要があり、マイクロ化学チップの小型化には限界がある。
【００２３】
これに対し、本実施形態では、前述のように供給部１３ａ，１３ｂからそれぞれ流入されて合流された２種類の被処理流体が流通する領域２３の流路１２は屈曲部分Ｒ１〜Ｒ４を有しているので、合流された被処理流体が屈曲部分Ｒ１〜Ｒ４を通過する際に乱流を発生させることができる。これによって、合流された被処理流体を効率よく混合させることができ、混合に必要な流路１２を短くすることができる。したがって、構成を大型化することなく、複数の被処理流体を効率よく混合することができるマイクロ化学チップ１を実現することができる。これによって、マイクロ化学チップを用いたマイクロ化学システムの小型化を図ることができる。
【００２４】
また本実施形態では、流路１２は、処理部１４よりも被処理流体の流通方向上流側の領域２３に屈曲部分Ｒ１〜Ｒ４を有しているので、合流された被処理流体は、処理部１４に達する際には充分に混合されている。したがって、たとえば供給部１３ａから原料となる化合物を流入させ、供給部１３ｂから試薬を流入させ、化合物と試薬とを合流させて処理部１４のヒータ１９で加熱することによって反応させる場合、化合物と試薬とが充分に混合された状態で加熱することができるので、化合物と試薬とを効率良く反応させ、採取部１５から取出される反応生成物の収率を向上させることができる。
【００２５】
また前述のように、流路１２の屈曲部分Ｒ１〜Ｒ４は、基体表面からの距離のそれぞれ異なる２つの流路１２ａ，１２ｂを、基体表面に対して垂直方向に延びる２つの流路１２ｃ，１２ｄで接続することによって形成されている。すなわち、屈曲部分Ｒ１〜Ｒ４は、基体１１の表面に対して平行な一平面上に形成されるのではなく、基体１１の内部に立体的に形成されるので、流路１２は領域２３において立体的に屈曲して形成されることになる。この場合、屈曲部分を基体１１の表面に対して平行な一平面上に平面的に形成することによって領域２３の流路１２を平面的に屈曲して形成した場合に比べ、領域２３で屈曲した流路１２の投影像が基体表面上で占める面積を小さくすることができる。したがって、マイクロ化学チップ１をさらに小型化することができる。
【００２６】
基体本体２０には、セラミック材料、シリコン、ガラスまたは樹脂などから成るものを用いることができ、これらの中でもセラミック材料から成るものを用いることが好ましい。セラミック材料は、樹脂などに比べ、耐薬品性に優れるので、基体本体２０がセラミック材料から成ることによって、耐薬品性に優れ、種々の条件で使用することのできるマイクロ化学チップ１を得ることができる。基体本体２０を構成するセラミック材料としては、たとえば酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体またはガラスセラミックス焼結体などを用いることができる。
【００２７】
蓋体２１には、ガラスまたはセラミック材料から成るものを用いることができる。
【００２８】
流路１２および供給流路１７ａ，１７ｂの断面積は、前述のように、供給部１３ａ，１３ｂから流入される検体、試薬または洗浄液などを効率よく送液し混合するために、２．５×１０−３ｍｍ２以上１ｍｍ２以下であることが好ましい。流路１２および供給流路１７ａ，１７ｂの断面積が１ｍｍ２を超えると、送液される検体、試薬または洗浄液の量が多くなり過ぎるので、単位体積あたりの反応表面積を増大させ、反応時間を大幅に削減させるというマイクロ化学チップの効果を充分に得ることができない。また流路１２および供給流路１７ａ，１７ｂの断面積が２．５×１０−３ｍｍ２未満であると、マイクロポンプ１８ａ，１８ｂによる圧力の損失が大きくなり、送液に問題が生じる。したがって、流路１２および供給流路１７ａ，１７ｂの断面積を２．５×１０−３ｍｍ２以上１ｍｍ２以下とした。
【００２９】
また、流路１２および供給流路１７ａ，１７ｂの幅ｗは、５０〜１０００μｍであることが好ましく、より好ましくは１００〜５００μｍである。また流路１２および供給流路１７ａ，１７ｂの深さｄは、５０〜１０００μｍであることが好ましく、より好ましくは１００〜５００μｍであって、上記断面積の範囲となるようにすればよい。そして、幅と深さの関係は、短辺長／長辺長≧０．４が好ましく、より好ましくは短辺長／長辺長≧０．６である。短辺長／長辺長＜０．４では、圧力損失が大きくなり、送液に問題が生じる。
【００３０】
マイクロ化学チップ１の外形寸法は、たとえば、幅Ａが約４０ｍｍであり、奥行きＢが約７０ｍｍであり、高さＣが１〜２ｍｍであるが、これにかかわらず、必要に応じて適切な外形寸法とすればよい。
【００３１】
なお、使用後のマイクロ化学チップ１は、供給部１３ａ，１３ｂから洗浄液を流入させて洗浄すれば、再度使用することができる。
【００３２】
次に、図１に示すマイクロ化学チップ１の製造方法を説明する。本実施形態では、基体本体２０がセラミック材料から成る場合について説明する。図２は、セラミックグリーンシート３１，３２の加工状態を示す平面図である。図３は、セラミックグリーンシート３１，３２を積層した状態を示す部分断面図である。
【００３３】
まず、原料粉末に適当な有機バインダおよび溶剤を混合し、必要に応じて可塑剤または分散剤などを添加して泥漿にし、これをドクターブレード法またはカレンダーロール法などによってシート状に成形することによって、セラミックグリーンシート（別称：セラミック生シート）を形成する。原料粉末としては、たとえば、基体本体２０が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合には、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウムなどを用いる。
【００３４】
本実施形態では、このようにして形成されるセラミックグリーンシートを２枚用いて基体本体２０を形成する。まず、図２（ａ）に示すように、１枚目のセラミックグリーンシート３１の表面に型を押圧し、溝部３３，３４を形成する。また図２（ｂ）に示すように、２枚目のセラミックグリーンシート３２の表面に型を押圧し、溝部３７を形成する。このとき、型には、セラミックグリーンシート３１の場合は所望の溝部３３，３４の形状が転写された形状の型を用い、セラミックグリーンシート３２の場合は所望の溝部３７の形状が転写された型を用いる。また型を押圧する際の押圧力は、セラミックグリーンシートに成形される前の泥漿の粘度に応じて調整される。たとえば、泥漿の粘度が１〜４Ｐａ・ｓである場合には、２．５〜７ＭＰａの押圧力で押圧する。なお、型の材質は特に制限されるものではなく、金型であっても木型であってもよい。
【００３５】
また、図２（ａ）に示すように、セラミックグリーンシート３１に、セラミックグリーンシート３１の溝部３３，３４とセラミックグリーンシート３２の溝部３７とを連通するための貫通孔３５，３６を形成する。貫通孔３５，３６は、セラミックグリーンシート３１をパンチで打ち抜くことによって形成することができる。またレーザやマイクロドリルなどを用いて形成することもできる。なお、この貫通孔３５，３６が、前述した基体表面に対して垂直方向に延びる流路１２ｃ，１２ｄに対応するものである。
【００３６】
また、図２（ｂ）に示すように、セラミックグリーンシート３２の溝部３７の形成された表面に、導電性ペーストをスクリーン印刷法などによって所定の形状に塗布することによって、ヒータ１９および外部電源接続用の配線パターン３８を形成する。導電性ペーストは、タングステン、モリブデン、マンガン、銅、銀、ニッケル、パラジウムまたは金などの金属材料粉末に、適当な有機バインダおよび溶剤を混合して得られる。なお、ヒータ１９を形成する導電性ペーストには、焼成後に所定の抵抗値になるように、前述の金属材料粉末にセラミック粉末が５〜３０重量％添加されたものが用いられる。
【００３７】
次に、図３に示すように、溝部３７の形成されたセラミックグリーンシート３２の表面に、溝部３３，３４の形成されたセラミックグリーンシート３１を積層する。このとき、セラミックグリーンシート３２の溝部３７がセラミックグリーンシート３１で覆われ、かつセラミックグリーンシート３１の溝部３３，３４とセラミックグリーンシート３２の溝部３７とが、セラミックグリーンシート３１に形成された貫通孔３５，３６で連通するように積層する。積層されたセラミックグリーンシート３１，３２を温度約１６００℃で焼結させる。以上のようにして、図１に示す基体本体２０を形成する。
【００３８】
図４は、蓋体２１の構成を簡略化して示す平面図である。図４に示すように、たとえばガラスまたはセラミック材料などから成る基板４１の供給口１６ａ，１６ｂおよび採取部１５となるべく予め定められる位置に、図２（ａ）に示すセラミックグリーンシート３１の溝部３３に連通する貫通孔４２ａ，４２ｂおよび溝部３４に連通する貫通孔４３を形成し、蓋体２１を得る。
【００３９】
基体本体２０の溝部３３，３４が露出した表面に、蓋体２１を接着する。蓋体２１と基体本体２０とは、たとえば蓋体２１がガラスから成る場合には加熱および加圧によって接着され、蓋体２１がセラミック材料から成る場合にはガラス接着剤などによって接着される。
【００４０】
蓋体２１の表面の予め定められる位置に、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ；組成式：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）などの圧電材料４４ａ，４４ｂを貼り付けるとともに、圧電材料４４ａ，４４ｂに電圧を印加するための図示しない配線を形成する。圧電材料４４ａ，４４ｂは、印加された電圧に応じて伸縮することによって供給流路１７ａ，１７ｂの上方の蓋体２１を振動させることができるので、圧電材料４４ａ，４４ｂを供給流路１７ａ，１７ｂの上方の蓋体２１に貼り付けることによって、送液を行うマイクロポンプ１８ａ，１８ｂを形成することができる。
【００４１】
以上のようにして、図１に示す基体１１を形成し、マイクロ化学チップ１を得る。このように、基体１１の表面からの距離のそれぞれ異なる複数の流路１２ａ，１２ｂが基体表面に対して垂直方向に延びる流路１２ｃ，１２ｄで接続されて成る立体的な流路１２を基体１１の内部に形成することによって、供給部１３ａ，１３ｂが接続される位置２２よりも被処理流体の流通方向下流側の領域２３で流路１２が屈曲しているマイクロ化学チップ１を製造することができる。
【００４２】
また本実施形態では、セラミックグリーンシート３１，３２の表面に型を押圧して溝部３３，３４，３７を形成し、溝部３７を覆うようにセラミックグリーンシート３１を積層し、積層したセラミックグリーンシート３１，３２を焼結させることによって基体本体２０を形成し、基体本体２０の表面の溝部３３，３４を蓋体２１で覆うことによって、流路１２を有する基体１１を形成する。したがって、シリコン、ガラスまたは樹脂から成る基体に流路を形成する際に必要となるエッチング加工のような複雑な加工を行うことなく、簡単な加工を行うだけでマイクロ化学チップ１を製造することができる。
【００４３】
以上に述べたように、本実施形態のマイクロ化学チップ１は、２つの供給部１３ａ，１３ｂを有するけれども、これに限定されることなく、３つ以上の供給部を有してもよい。供給部が２つ以上設けられる場合、供給部は、１点で合流するように設けられる必要はなく、流路１２の異なる位置に接続されるように設けられてもよい。この場合、各供給部が接続される位置よりも被処理流体の流通方向下流側の流路は、図１に示す領域２３の流路１２と同様に、屈曲していることが好ましい。
【００４４】
またヒータ２９は、１箇所に設けられる構成であるけれども、これに限定されることなく、２箇所以上に設けられてもよい。このように、３つ以上の供給部を設け、ヒータを２箇所以上に設けることによって、複雑な反応を制御することができる。なお、ヒータ２９は、加熱しなくても反応が進行するような場合には、設ける必要はない。
【００４５】
また、本実施形態では、供給部１３ａ，１３ｂの接続される位置２２よりも被処理流体の流通方向下流側の領域２３の流路１２は、基体１１の表面からの距離のそれぞれ異なる２つの流路１２ａ，１２ｂが接続されることによって屈曲されるけれども、これに限定されることなく、基体１１の表面からの距離のそれぞれ異なる３つ以上の流路が接続されることによって屈曲されてもよい。なお、流路１２の屈曲される領域は、領域２３に限定されるものではない。
【００４６】
また、本実施形態では、被処理流体の流通方向下流側である処理部１４の流路１２も屈曲部分を有しているので、合流された被処理流体には、処理部１４の流路１２を流通する際に乱流が発生するので、被処理流体を効率よく混合させることができる。
【００４７】
また、本実施形態のマイクロ化学チップ１では、採取部１５を設け、反応生成物を採取部１５から導出させるけれども、採取部１５または採取部１５よりも被処理流体の流通方向上流側に検出部を設ければ、化学反応や抗原抗体反応、酵素反応などの生化学反応の反応生成物を検出することができる。この場合には、検出部よりも被処理流体の流通方向上流側の流路１２に屈曲部分を形成することが好ましい。
【００４８】
また、本実施形態では、送液手段として、マイクロポンプ１８ａ，１８ｂを設ける構成であるけれども、マイクロポンプ１８ａ，１８ｂを設けない構成も可能である。この場合には、供給口１６ａ，１６ｂから被処理流体を注入する際に、マイクロシリンジなどで被処理流体を押込むことによって、被処理流体を供給口１６ａ，１６ｂから採取部１５まで送液することができる。また注入する際に、外部に設けられるポンプなどで被処理流体に圧力を加えながら注入することによって送液することもできる。また供給口１６ａ，１６ｂから被処理流体を注入した後に、開口で実現されている採取部１５からマイクロシリンジなどで吸引することによって送液することもできる。
【００４９】
また、蓋体２１は基体本体２０に接着されているけれども、これに限定されることなく、基体本体２０から取外し可能に取り付けられていてもよい。たとえば、基体本体２０と蓋体２１との間にシリコーンゴムなどを挟み、マイクロ化学チップ全体に圧力を加えるような構成であってもよい。このように蓋体２１を基体本体２０から取り外せるようにすることによって、再利用する際の洗浄が容易になる。
【００５０】
また、本実施形態のマイクロ化学チップ１の製造方法では、基体本体２０は、溝部３３，３４および貫通孔３５，３６の形成されたセラミックグリーンシート３１と溝部３７の形成されたセラミックグリーンシート３２との２枚のセラミックグリーンシートから形成されるけれども、これに限定されることなく、３枚以上のセラミックグリーンシートから形成されてもよい。たとえば、セラミックグリーンシート３１とセラミックグリーンシート３２との間に、貫通孔の形成されたセラミックグリーンシートを積層し、このセラミックグリーンシートの貫通孔とセラミックグリーンシート３１の貫通孔によって、セラミックグリーンシート３１の溝部３３，３４とセラミックグリーンシート３２の溝部３７とを連通させて基体本体２０を形成すれば、基体１１の表面からより深い位置に流路１２ａを形成することができる。
【００５１】
また、本実施形態のマイクロ化学チップ１の製造方法では、基体１１は、セラミックグリーンシート３１の表面の溝部３３，３４を露出させたまま焼成して基体本体２０を形成した後、基体本体２０の表面の溝部３３，３４を蓋体２１で覆うことによって形成されるけれども、これに限定されることなく、セラミックグリーンシート３１の表面に、溝部３３，３４に連通する蓋体２１と同様の貫通孔が形成されたセラミックグリーンシートをさらに積層して焼成することによって形成されてもよい。このようにして基体を形成すれば、基体本体２０を形成した後に蓋体２１を取り付ける必要がなくなるので、生産性を向上させることができる。また、マイクロポンプ１８ａ，１８ｂを構成する圧電材料４４ａ，４４ｂに前述のＰＺＴのようなセラミック圧電材料を用いる場合には、溝部３３，３４に連通する貫通孔が形成されたセラミックグリーンシートの予め定められる位置にセラミック圧電材料を取り付けた後、同時に焼成することもできる。
【００５２】
以上のように本発明によれば、合流された複数の被処理流体を流路の屈曲部分を流通させることによって乱流を発生させて混合するので、従来のように拡散のみによって混合させる場合に比べて短い流路であっても、複数の被処理流体を高い混合効率で混合させることができる。また、複数の被処理流体が高い混合効率で充分に混合された状態で予め定める処理が施されるので、混合が不十分な場合に比べて、予め定める処理を確実に施すことができる。さらに、拡散のみによって混合させる場合に比べて流路の長さを短くすることができるので、マイクロ化学チップの小型化を図ることができる。
【００５３】
また本発明によれば、供給部が流路に接続される位置よりも被処理流体の流通方向下流側であって、採取部が流路に接続される位置よりも被処理流体の流通方向上流側に屈曲部分を有しているので、たとえば２つの供給部を有し、一方の供給部から原料となる化合物を流入させ、他方の供給部から試薬を流入させ、化合物と試薬とを充分に混合させて反応させた後、得られた化合物を採取部から取出すことのできる小型のマイクロ化学チップを得ることができる。
【００５４】
また本発明によれば、供給部が流路に接続される位置よりも被処理流体の流通方向下流側であって処理部よりも被処理流体の流通方向上流側に屈曲部分を有しているので、たとえば２つの供給部を設け、一方の供給部から原料となる化合物を流入させ、他方の供給部から試薬を流入させ、化合物と試薬とを合流させて処理部において加熱することによって反応させる場合に、化合物と試薬とを効率良く反応させ、反応生成物の収率を向上させることができる。
【００５５】
また本発明によれば、流路の屈曲部分は基体表面からの距離のそれぞれ異なる複数の流路を、基板表面に対して垂直方向に延びる流路で接続することによって形成されるので、流路の屈曲部分の投影像が基体表面上で占める面積を小さくすることができ、マイクロ化学チップをさらに小型化することができる。
【００５６】
また本発明によれば、溝部が形成されたセラミックグリーンシートと、その表面の溝部を覆うとともに異なるセラミックグリーンシートにそれぞれ形成された溝部を貫通孔で連通させる別のセラミックグリーンシートとを積層したものを、焼結させることによって基体を形成するので、供給部が接続される位置よりも被処理流体の流通方向下流側に屈曲部分が形成された流路を有するマイクロ化学チップを製造することができる。
【００５７】
また本発明によれば、溝部が形成されたセラミックグリーンシートと、その表面の溝部を覆うとともに異なるセラミックグリーンシートにそれぞれ形成された溝部を貫通孔で連通させる別のセラミックグリーンシートとを積層したものを、焼結させることによって基体本体を形成した後に、基体本体の表面の溝部を被覆部で覆うことによって基体を形成するので、供給部が接続される位置よりも被処理流体の流通方向下流側に屈曲部分が形成された流路を有するマイクロ化学チップを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】図１（ａ）は、本発明の実施の一形態であるマイクロ化学チップ１の構成を簡略化して示す平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すマイクロ化学チップ１の切断面線Ｉ−Ｉ、ＩＩ−ＩＩおよびＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面構成を示す部分断面図である。
【図２】セラミックグリーンシート３１，３２の加工状態を示す平面図である。
【図３】セラミックグリーンシート３１，３２を積層した状態を示す部分断面図である。
【図４】蓋体２１の構成を簡略化して示す平面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１ マイクロ化学チップ
１１ 基体
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ 流路
１３ａ，１３ｂ 供給部
１４ 処理部
１５ 採取部
１６ａ，１６ｂ 供給口
１７ａ，１７ｂ 供給流路
１８ａ，１８ｂ マイクロポンプ
１９ ヒータ
２０ 基体本体
２１ 蓋体
３１，３２ セラミックグリーンシート
３３，３４，３７ 溝部
３５，３６，４２ａ，４２ｂ，４３ 貫通孔
３８ 配線パターン
４１ 基板
４４ａ，４４ｂ 圧電材料
Ｒ１〜Ｒ４ 屈曲部分
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小な流路を流通する基質や試薬などの被処理流体に対して、反応や分析などの予め定める処理を施すことのできるマイクロ化学チップに関し、さらに詳しくは、たとえば血液と試薬を混合して反応させる場合のように、異なる複数の被処理流体を混合させて予め定める処理を施すことができるマイクロ化学チップに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化学技術やバイオ技術の分野では、試料に対する反応や試料の分析などを微小な領域で行うための研究が行われており、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ；略称：ＭＥＭＳ）技術を用いて化学反応や生化学反応、試料の分析などのシステムを小型化したマイクロ化学システムが研究開発されている。
【０００３】
マイクロ化学システムにおける反応や分析は、マイクロ流路、マイクロポンプおよびマイクロリアクタなどが形成されたマイクロ化学チップと呼ばれる１つのチップを用いて行われる。たとえば、シリコン、ガラスまたは樹脂から成る１つの基体に、試料や試薬などの流体を供給するための供給口と、処理後の流体を導出するための採取口とを形成し、この供給口と採取口とを断面積が微小なマイクロ流路で接続し、流路の適当な位置に送液のためのマイクロポンプを配置したマイクロ化学チップが提案されている（特許文献１参照）。また、送液の手段として、マイクロポンプに代えて、電気浸透現象を利用したキャピラリ泳動型のものも提案されている（特許文献２参照）。これらのマイクロ化学チップでは、流路は所定の位置で合流しており、合流部で流体の混合が行われる。
【０００４】
マイクロ化学システムでは、従来のシステムに比べ、機器や手法が微細化されているので、試料の単位体積あたりの反応表面積を増大させ、反応時間を大幅に削減することができる。また流量の精密な制御が可能であるので、反応や分析を効率的に行うことができる。さらに反応や分析に必要な試料や試薬の量を少なくすることができる。
【特許文献１】特開２００２−２１４２４１号公報（第４−５頁，第１図）
【特許文献２】特開２００１−１０８６１９号公報（第４−５頁，第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したマイクロ化学チップでは、流路を流れる被処理流体は層流となる。そのため、複数の供給部からそれぞれ異なる複数の被処理流体を流路に流入させて混合させる場合は、流路を流れる間に生じる拡散現象を利用して複数の被処理流体を混合させるようにしている。したがって、複数の被処理流体を充分に混合させるためには、供給部が流路に接続される接続位置よりも下流側の流路を長く形成する必要がある。
【０００６】
しかし、被処理流体を充分に混合させるために流路を長く形成すると、マイクロ化学チップが大型化するという問題が生じる。
【０００７】
一方、マイクロ化学チップを小型化するために流路を短く形成すると、被処理流体の混合が不充分になるという問題が生じる。また、被処理流体の混合が不充分な状態では、反応等の予め定める処理を施しても、処理が不充分になる可能性が高くなるという問題も生じる。
【０００８】
本発明の目的は、構成を大型化することなく、異なる複数の被処理流体を効率よく混合することができるマイクロ化学チップを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るマイクロ化学チップは、被処理流体を流通させる流路と、流路に接続され且つ該流路に複数の被処理流体をそれぞれ流入させる複数の供給部とが設けられた基体を有し、複数の供給部から流路に複数の被処理流体をそれぞれ流入させ、流入された複数の被処理流体を合流させて処理を施すものであって、流路は、基体の表面に対して平行に延びる流路と、基体の表面に対して垂直に延びる流路とを接続してなる立体的な屈曲部分を有することを特徴とする。
【００１０】
本マイクロ化学チップの流路は、立体的な屈曲部分より被処理流体の流通方向下流側に、基体の表面に対して平行な一平面上で屈曲してなる平面的な屈曲部を有するのが好適である。
【００１１】
本マイクロ化学チップの基体は、その内部にヒータを備え、このヒータは、平面的な屈曲部の直下に位置するのが好適である。
【００１２】
本マイクロ化学チップの立体的な屈曲部は、基体表面からの距離が異なる位置で、該基体表面に対して平行に延びる複数の流路と、基体の厚み方向に延びる流路とを接続してなるのが好適である。
【００１３】
本マイクロ化学チップの基体はセラミック材料からなるのが好適である。
【００１４】
本マイクロ化学チップの基体は、積層したセラミックグリーンシートを焼成一体化してなるのが好適である。
【００１５】
本マイクロ化学チップは、基体に対してセラミックグリーンシートを焼成一体化してなる蓋体を備えるのが好適である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るマイクロ化学チップの流路は、基体の表面に対して平行に延びる流路と、基体の表面に対して垂直に延びる流路とを接続してなる立体的な屈曲部分を有している。基質や試薬などの複数の被処理流体は、複数の供給部から流路にそれぞれ流入され、合流されて流路の屈曲部分を流通し、分析や反応などの予め定める処理を施されるが、本発明の構成によると、流路の屈曲部分を合流された複数の被処理流体が流通するとき、合流された複数の被処理流体に乱流を発生させることができる。このように合流した被処理流体内に乱流を発生させることによって、複数の被処理流体を混合することができる。これによって、従来のように拡散のみによって混合させる場合に比べて短い流路であっても、複数の被処理流体を充分に混合させることができる。また、複数の被処理流体が充分に混合された状態で予め定める処理が施されるので、混合が不充分な場合に比べて、予め定める処理を確実に施すことができる。さらに、拡散のみによって混合させる場合に比べて流路の長さを短くすることができるので、マイクロ化学チップの小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１（ａ）は、本発明の実施の一形態であるマイクロ化学チップ１の構成を簡略化して示す平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すマイクロ化学チップ１の切断面線Ｉ−Ｉ、ＩＩ−ＩＩおよびＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面構成を示す部分断面図である。なお、図１（ｂ）では、切断面線Ｉ−Ｉ、ＩＩ−ＩＩおよびＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面構成を並べて示す。
【００１８】
マイクロ化学チップ１は、被処理流体を流通させる流路１２と、流路１２に被処理流体をそれぞれ流入させる２つの供給部１３ａ，１３ｂと、処理部１４と、処理後の流体を外部に導出する採取部１５とが設けられた基体１１を有する。基体１１は、一表面に溝部が形成された基体本体２０と被覆部である蓋体２１とを含み、基体本体２０の溝部３３，３４の形成された表面を蓋体２１で覆うことによって流路１２が形成されている。流路１２のうち、供給部１３ａ，１３ｂが接続される位置２２よりも被処理流体の流通方向下流側の参照符２３で示される領域に、屈曲部分Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を有している。屈曲部分Ｒ１〜Ｒ４は、基体１１の表面からの距離のそれぞれ異なる２つの流路１２ａ，１２ｂを、基体表面に対して垂直方向に延びる２つの流路１２ｃ，１２ｄで接続することによって形成されている。
【００１９】
供給部１３ａは、流路１２に接続される供給流路１７ａと、供給流路１７ａの端部に設けられる供給口１６ａと、流路１２に接続する位置２２よりも被処理流体の流通方向上流側に設けられるマイクロポンプ１８ａとを含む。同様に、供給部１３ｂは、供給流路１７ｂと、供給口１６ｂと、マイクロポンプ１８ｂとを含む。供給口１６ａ，１６ｂは、外部から供給流路１７ａ，１７ｂに被処理流体を注入することができるように開口されている。また採取部１５は、流路１２から被処理流体を外部に取出すことができるように開口で実現されている。
【００２０】
基体本体２０の内部であって、処理部１４の流路１２の下方には、ヒータ１９が設けられる。処理部１４の流路１２は、ヒータ１９の上方を複数回数通過するように屈曲して形成される。基体１１の表面には、ヒータ１９と外部電源とを接続するための図示しない配線がヒータ１９から導出されている。この配線は、ヒータ１９よりも抵抗値の低い金属材料で形成される。
【００２１】
マイクロ化学チップ１では、２つの供給部１３ａ，１３ｂから流路１２に２種類の被処理流体をそれぞれ流入させて合流させ、必要に応じて処理部１４においてヒータ１９を用いて流路１２を所定の温度で加熱し、流入された２種類の被処理流体を反応させ、得られた反応生成物を採取部１５から導出させる。
【００２２】
流路１２および供給流路１７ａ，１７ｂの断面積は、供給部１３ａ，１３ｂから流入される検体、試薬または洗浄液などを効率よく送液し混合するためには、２．５×１０−３ｍｍ２以上１ｍｍ２以下であることが好ましい。しかしながら、断面積が２．５×１０−３ｍｍ２〜１ｍｍ２程度の流路を流通する流体は、一般に層流状態で流れるので、２つの供給流路１７ａ，１７ｂを合流させただけでは、供給部１３ａ，１３ｂから流路１２にそれぞれ流入され合流された２種類の被処理流体は、拡散のみによって混合される。したがって、合流された２種類の被処理流体を完全に混合させるためには長い流路を設ける必要があり、マイクロ化学チップの小型化には限界がある。
【００２３】
これに対し、本実施形態では、前述のように供給部１３ａ，１３ｂからそれぞれ流入されて合流された２種類の被処理流体が流通する領域２３の流路１２は屈曲部分Ｒ１〜Ｒ４を有しているので、合流された被処理流体が屈曲部分Ｒ１〜Ｒ４を通過する際に乱流を発生させることができる。これによって、合流された被処理流体を効率よく混合させることができ、混合に必要な流路１２を短くすることができる。したがって、構成を大型化することなく、複数の被処理流体を効率よく混合することができるマイクロ化学チップ１を実現することができる。これによって、マイクロ化学チップを用いたマイクロ化学システムの小型化を図ることができる。
【００２４】
また本実施形態では、流路１２は、処理部１４よりも被処理流体の流通方向上流側の領域２３に屈曲部分Ｒ１〜Ｒ４を有しているので、合流された被処理流体は、処理部１４に達する際には充分に混合されている。したがって、たとえば供給部１３ａから原料となる化合物を流入させ、供給部１３ｂから試薬を流入させ、化合物と試薬とを合流させて処理部１４のヒータ１９で加熱することによって反応させる場合、化合物と試薬とが充分に混合された状態で加熱することができるので、化合物と試薬とを効率良く反応させ、採取部１５から取出される反応生成物の収率を向上させることができる。
【００２５】
また前述のように、流路１２の屈曲部分Ｒ１〜Ｒ４は、基体表面からの距離のそれぞれ異なる２つの流路１２ａ，１２ｂを、基体表面に対して垂直方向に延びる２つの流路１２ｃ，１２ｄで接続することによって形成されている。すなわち、屈曲部分Ｒ１〜Ｒ４は、基体１１の表面に対して平行な一平面上に形成されるのではなく、基体１１の内部に立体的に形成されるので、流路１２は領域２３において立体的に屈曲して形成されることになる。この場合、屈曲部分を基体１１の表面に対して平行な一平面上に平面的に形成することによって領域２３の流路１２を平面的に屈曲して形成した場合に比べ、領域２３で屈曲した流路１２の投影像が基体表面上で占める面積を小さくすることができる。したがって、マイクロ化学チップ１をさらに小型化することができる。
【００２６】
基体本体２０には、セラミック材料、シリコン、ガラスまたは樹脂などから成るものを用いることができ、これらの中でもセラミック材料から成るものを用いることが好ましい。セラミック材料は、樹脂などに比べ、耐薬品性に優れるので、基体本体２０がセラミック材料から成ることによって、耐薬品性に優れ、種々の条件で使用することのできるマイクロ化学チップ１を得ることができる。基体本体２０を構成するセラミック材料としては、たとえば酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体またはガラスセラミックス焼結体などを用いることができる。
【００２７】
蓋体２１には、ガラスまたはセラミック材料から成るものを用いることができる。
【００２８】
流路１２および供給流路１７ａ，１７ｂの断面積は、前述のように、供給部１３ａ，１３ｂから流入される検体、試薬または洗浄液などを効率よく送液し混合するために、２．５×１０−３ｍｍ２以上１ｍｍ２以下であることが好ましい。流路１２および供給流路１７ａ，１７ｂの断面積が１ｍｍ２を超えると、送液される検体、試薬または洗浄液の量が多くなり過ぎるので、単位体積あたりの反応表面積を増大させ、反応時間を大幅に削減させるというマイクロ化学チップの効果を充分に得ることができない。また流路１２および供給流路１７ａ，１７ｂの断面積が２．５×１０−３ｍｍ２未満であると、マイクロポンプ１８ａ，１８ｂによる圧力の損失が大きくなり、送液に問題が生じる。したがって、流路１２および供給流路１７ａ，１７ｂの断面積を２．５×１０−３ｍｍ２以上１ｍｍ２以下とした。
【００２９】
また、流路１２および供給流路１７ａ，１７ｂの幅ｗは、５０〜１０００μｍであることが好ましく、より好ましくは１００〜５００μｍである。また流路１２および供給流路１７ａ，１７ｂの深さｄは、５０〜１０００μｍであることが好ましく、より好ましくは１００〜５００μｍであって、上記断面積の範囲となるようにすればよい。そして、幅と深さの関係は、短辺長／長辺長≧０．４が好ましく、より好ましくは短辺長／長辺長≧０．６である。短辺長／長辺長＜０．４では、圧力損失が大きくなり、送液に問題が生じる。
【００３０】
マイクロ化学チップ１の外形寸法は、たとえば、幅Ａが約４０ｍｍであり、奥行きＢが約７０ｍｍであり、高さＣが１〜２ｍｍであるが、これにかかわらず、必要に応じて適切な外形寸法とすればよい。
【００３１】
なお、使用後のマイクロ化学チップ１は、供給部１３ａ，１３ｂから洗浄液を流入させて洗浄すれば、再度使用することができる。
【００３２】
次に、図１に示すマイクロ化学チップ１の製造方法を説明する。本実施形態では、基体本体２０がセラミック材料から成る場合について説明する。図２は、セラミックグリーンシート３１，３２の加工状態を示す平面図である。図３は、セラミックグリーンシート３１，３２を積層した状態を示す部分断面図である。
【００３３】
まず、原料粉末に適当な有機バインダおよび溶剤を混合し、必要に応じて可塑剤または分散剤などを添加して泥漿にし、これをドクターブレード法またはカレンダーロール法などによってシート状に成形することによって、セラミックグリーンシート（別称：セラミック生シート）を形成する。原料粉末としては、たとえば、基体本体２０が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合には、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウムなどを用いる。
【００３４】
本実施形態では、このようにして形成されるセラミックグリーンシートを２枚用いて基体本体２０を形成する。まず、図２（ａ）に示すように、１枚目のセラミックグリーンシート３１の表面に型を押圧し、溝部３３，３４を形成する。また図２（ｂ）に示すように、２枚目のセラミックグリーンシート３２の表面に型を押圧し、溝部３７を形成する。このとき、型には、セラミックグリーンシート３１の場合は所望の溝部３３，３４の形状が転写された形状の型を用い、セラミックグリーンシート３２の場合は所望の溝部３７の形状が転写された型を用いる。また型を押圧する際の押圧力は、セラミックグリーンシートに成形される前の泥漿の粘度に応じて調整される。たとえば、泥漿の粘度が１〜４Ｐａ・ｓである場合には、２．５〜７ＭＰａの押圧力で押圧する。なお、型の材質は特に制限されるものではなく、金型であっても木型であってもよい。
【００３５】
また、図２（ａ）に示すように、セラミックグリーンシート３１に、セラミックグリーンシート３１の溝部３３，３４とセラミックグリーンシート３２の溝部３７とを連通するための貫通孔３５，３６を形成する。貫通孔３５，３６は、セラミックグリーンシート３１をパンチで打ち抜くことによって形成することができる。またレーザやマイクロドリルなどを用いて形成することもできる。なお、この貫通孔３５，３６が、前述した基体表面に対して垂直方向に延びる流路１２ｃ，１２ｄに対応するものである。
【００３６】
また、図２（ｂ）に示すように、セラミックグリーンシート３２の溝部３７の形成された表面に、導電性ペーストをスクリーン印刷法などによって所定の形状に塗布することによって、ヒータ１９および外部電源接続用の配線パターン３８を形成する。導電性ペーストは、タングステン、モリブデン、マンガン、銅、銀、ニッケル、パラジウムまたは金などの金属材料粉末に、適当な有機バインダおよび溶剤を混合して得られる。なお、ヒータ１９を形成する導電性ペーストには、焼成後に所定の抵抗値になるように、前述の金属材料粉末にセラミック粉末が５〜３０重量％添加されたものが用いられる。
【００３７】
次に、図３に示すように、溝部３７の形成されたセラミックグリーンシート３２の表面に、溝部３３，３４の形成されたセラミックグリーンシート３１を積層する。このとき、セラミックグリーンシート３２の溝部３７がセラミックグリーンシート３１で覆われ、かつセラミックグリーンシート３１の溝部３３，３４とセラミックグリーンシート３２の溝部３７とが、セラミックグリーンシート３１に形成された貫通孔３５，３６で連通するように積層する。積層されたセラミックグリーンシート３１，３２を温度約１６００℃で焼結させる。以上のようにして、図１に示す基体本体２０を形成する。
【００３８】
図４は、蓋体２１の構成を簡略化して示す平面図である。図４に示すように、たとえばガラスまたはセラミック材料などから成る基板４１の供給口１６ａ，１６ｂおよび採取部１５となるべく予め定められる位置に、図２（ａ）に示すセラミックグリーンシート３１の溝部３３に連通する貫通孔４２ａ，４２ｂおよび溝部３４に連通する貫通孔４３を形成し、蓋体２１を得る。
【００３９】
基体本体２０の溝部３３，３４が露出した表面に、蓋体２１を接着する。蓋体２１と基体本体２０とは、たとえば蓋体２１がガラスから成る場合には加熱および加圧によって接着され、蓋体２１がセラミック材料から成る場合にはガラス接着剤などによって接着される。
【００４０】
蓋体２１の表面の予め定められる位置に、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ；組成式：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）などの圧電材料４４ａ，４４ｂを貼り付けるとともに、圧電材料４４ａ，４４ｂに電圧を印加するための図示しない配線を形成する。圧電材料４４ａ，４４ｂは、印加された電圧に応じて伸縮することによって供給流路１７ａ，１７ｂの上方の蓋体２１を振動させることができるので、圧電材料４４ａ，４４ｂを供給流路１７ａ，１７ｂの上方の蓋体２１に貼り付けることによって、送液を行うマイクロポンプ１８ａ，１８ｂを形成することができる。
【００４１】
以上のようにして、図１に示す基体１１を形成し、マイクロ化学チップ１を得る。このように、基体１１の表面からの距離のそれぞれ異なる複数の流路１２ａ，１２ｂが基体表面に対して垂直方向に延びる流路１２ｃ，１２ｄで接続されて成る立体的な流路１２を基体１１の内部に形成することによって、供給部１３ａ，１３ｂが接続される位置２２よりも被処理流体の流通方向下流側の領域２３で流路１２が屈曲しているマイクロ化学チップ１を製造することができる。
【００４２】
また本実施形態では、セラミックグリーンシート３１，３２の表面に型を押圧して溝部３３，３４，３７を形成し、溝部３７を覆うようにセラミックグリーンシート３１を積層し、積層したセラミックグリーンシート３１，３２を焼結させることによって基体本体２０を形成し、基体本体２０の表面の溝部３３，３４を蓋体２１で覆うことによって、流路１２を有する基体１１を形成する。したがって、シリコン、ガラスまたは樹脂から成る基体に流路を形成する際に必要となるエッチング加工のような複雑な加工を行うことなく、簡単な加工を行うだけでマイクロ化学チップ１を製造することができる。
【００４３】
以上に述べたように、本実施形態のマイクロ化学チップ１は、２つの供給部１３ａ，１３ｂを有するけれども、これに限定されることなく、３つ以上の供給部を有してもよい。供給部が２つ以上設けられる場合、供給部は、１点で合流するように設けられる必要はなく、流路１２の異なる位置に接続されるように設けられてもよい。この場合、各供給部が接続される位置よりも被処理流体の流通方向下流側の流路は、図１に示す領域２３の流路１２と同様に、屈曲していることが好ましい。
【００４４】
またヒータ２９は、１箇所に設けられる構成であるけれども、これに限定されることなく、２箇所以上に設けられてもよい。このように、３つ以上の供給部を設け、ヒータを２箇所以上に設けることによって、複雑な反応を制御することができる。なお、ヒータ２９は、加熱しなくても反応が進行するような場合には、設ける必要はない。
【００４５】
また、本実施形態では、供給部１３ａ，１３ｂの接続される位置２２よりも被処理流体の流通方向下流側の領域２３の流路１２は、基体１１の表面からの距離のそれぞれ異なる２つの流路１２ａ，１２ｂが接続されることによって屈曲されるけれども、これに限定されることなく、基体１１の表面からの距離のそれぞれ異なる３つ以上の流路が接続されることによって屈曲されてもよい。なお、流路１２の屈曲される領域は、領域２３に限定されるものではない。
【００４６】
また、本実施形態では、被処理流体の流通方向下流側である処理部１４の流路１２も屈曲部分を有しているので、合流された被処理流体には、処理部１４の流路１２を流通する際に乱流が発生するので、被処理流体を効率よく混合させることができる。
【００４７】
また、本実施形態のマイクロ化学チップ１では、採取部１５を設け、反応生成物を採取部１５から導出させるけれども、採取部１５または採取部１５よりも被処理流体の流通方向上流側に検出部を設ければ、化学反応や抗原抗体反応、酵素反応などの生化学反応の反応生成物を検出することができる。この場合には、検出部よりも被処理流体の流通方向上流側の流路１２に屈曲部分を形成することが好ましい。
【００４８】
また、本実施形態では、送液手段として、マイクロポンプ１８ａ，１８ｂを設ける構成であるけれども、マイクロポンプ１８ａ，１８ｂを設けない構成も可能である。この場合には、供給口１６ａ，１６ｂから被処理流体を注入する際に、マイクロシリンジなどで被処理流体を押込むことによって、被処理流体を供給口１６ａ，１６ｂから採取部１５まで送液することができる。また注入する際に、外部に設けられるポンプなどで被処理流体に圧力を加えながら注入することによって送液することもできる。また供給口１６ａ，１６ｂから被処理流体を注入した後に、開口で実現されている採取部１５からマイクロシリンジなどで吸引することによって送液することもできる。
【００４９】
また、蓋体２１は基体本体２０に接着されているけれども、これに限定されることなく、基体本体２０から取外し可能に取り付けられていてもよい。たとえば、基体本体２０と蓋体２１との間にシリコーンゴムなどを挟み、マイクロ化学チップ全体に圧力を加えるような構成であってもよい。このように蓋体２１を基体本体２０から取り外せるようにすることによって、再利用する際の洗浄が容易になる。
【００５０】
また、本実施形態のマイクロ化学チップ１の製造方法では、基体本体２０は、溝部３３，３４および貫通孔３５，３６の形成されたセラミックグリーンシート３１と溝部３７の形成されたセラミックグリーンシート３２との２枚のセラミックグリーンシートから形成されるけれども、これに限定されることなく、３枚以上のセラミックグリーンシートから形成されてもよい。たとえば、セラミックグリーンシート３１とセラミックグリーンシート３２との間に、貫通孔の形成されたセラミックグリーンシートを積層し、このセラミックグリーンシートの貫通孔とセラミックグリーンシート３１の貫通孔によって、セラミックグリーンシート３１の溝部３３，３４とセラミックグリーンシート３２の溝部３７とを連通させて基体本体２０を形成すれば、基体１１の表面からより深い位置に流路１２ａを形成することができる。
【００５１】
また、本実施形態のマイクロ化学チップ１の製造方法では、基体１１は、セラミックグリーンシート３１の表面の溝部３３，３４を露出させたまま焼成して基体本体２０を形成した後、基体本体２０の表面の溝部３３，３４を蓋体２１で覆うことによって形成されるけれども、これに限定されることなく、セラミックグリーンシート３１の表面に、溝部３３，３４に連通する蓋体２１と同様の貫通孔が形成されたセラミックグリーンシートをさらに積層して焼成することによって形成されてもよい。このようにして基体を形成すれば、基体本体２０を形成した後に蓋体２１を取り付ける必要がなくなるので、生産性を向上させることができる。また、マイクロポンプ１８ａ，１８ｂを構成する圧電材料４４ａ，４４ｂに前述のＰＺＴのようなセラミック圧電材料を用いる場合には、溝部３３，３４に連通する貫通孔が形成されたセラミックグリーンシートの予め定められる位置にセラミック圧電材料を取り付けた後、同時に焼成することもできる。
【００５２】
以上のように本発明によれば、合流された複数の被処理流体を流路の屈曲部分を流通させることによって乱流を発生させて混合するので、従来のように拡散のみによって混合させる場合に比べて短い流路であっても、複数の被処理流体を高い混合効率で混合させることができる。また、複数の被処理流体が高い混合効率で充分に混合された状態で予め定める処理が施されるので、混合が不十分な場合に比べて、予め定める処理を確実に施すことができる。さらに、拡散のみによって混合させる場合に比べて流路の長さを短くすることができるので、マイクロ化学チップの小型化を図ることができる。
【００５３】
また本発明によれば、供給部が流路に接続される位置よりも被処理流体の流通方向下流側であって、採取部が流路に接続される位置よりも被処理流体の流通方向上流側に屈曲部分を有しているので、たとえば２つの供給部を有し、一方の供給部から原料となる化合物を流入させ、他方の供給部から試薬を流入させ、化合物と試薬とを充分に混合させて反応させた後、得られた化合物を採取部から取出すことのできる小型のマイクロ化学チップを得ることができる。
【００５４】
また本発明によれば、供給部が流路に接続される位置よりも被処理流体の流通方向下流側であって処理部よりも被処理流体の流通方向上流側に屈曲部分を有しているので、たとえば２つの供給部を設け、一方の供給部から原料となる化合物を流入させ、他方の供給部から試薬を流入させ、化合物と試薬とを合流させて処理部において加熱することによって反応させる場合に、化合物と試薬とを効率良く反応させ、反応生成物の収率を向上させることができる。
【００５５】
また本発明によれば、流路の屈曲部分は基体表面からの距離のそれぞれ異なる複数の流路を、基板表面に対して垂直方向に延びる流路で接続することによって形成されるので、流路の屈曲部分の投影像が基体表面上で占める面積を小さくすることができ、マイクロ化学チップをさらに小型化することができる。
【００５６】
また本発明によれば、溝部が形成されたセラミックグリーンシートと、その表面の溝部を覆うとともに異なるセラミックグリーンシートにそれぞれ形成された溝部を貫通孔で連通させる別のセラミックグリーンシートとを積層したものを、焼結させることによって基体を形成するので、供給部が接続される位置よりも被処理流体の流通方向下流側に屈曲部分が形成された流路を有するマイクロ化学チップを製造することができる。
【００５７】
また本発明によれば、溝部が形成されたセラミックグリーンシートと、その表面の溝部を覆うとともに異なるセラミックグリーンシートにそれぞれ形成された溝部を貫通孔で連通させる別のセラミックグリーンシートとを積層したものを、焼結させることによって基体本体を形成した後に、基体本体の表面の溝部を被覆部で覆うことによって基体を形成するので、供給部が接続される位置よりも被処理流体の流通方向下流側に屈曲部分が形成された流路を有するマイクロ化学チップを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】図１（ａ）は、本発明の実施の一形態であるマイクロ化学チップ１の構成を簡略化して示す平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すマイクロ化学チップ１の切断面線Ｉ−Ｉ、ＩＩ−ＩＩおよびＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面構成を示す部分断面図である。
【図２】セラミックグリーンシート３１，３２の加工状態を示す平面図である。
【図３】セラミックグリーンシート３１，３２を積層した状態を示す部分断面図である。
【図４】蓋体２１の構成を簡略化して示す平面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１ マイクロ化学チップ
１１ 基体
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ 流路
１３ａ，１３ｂ 供給部
１４ 処理部
１５ 採取部
１６ａ，１６ｂ 供給口
１７ａ，１７ｂ 供給流路
１８ａ，１８ｂ マイクロポンプ
１９ ヒータ
２０ 基体本体
２１ 蓋体
３１，３２ セラミックグリーンシート
３３，３４，３７ 溝部
３５，３６，４２ａ，４２ｂ，４３ 貫通孔
３８ 配線パターン
４１ 基板
４４ａ，４４ｂ 圧電材料
Ｒ１〜Ｒ４ 屈曲部分
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理流体を流通させる流路と、前記流路に接続され且つ該流路に複数の被処理流体をそれぞれ流入させる複数の供給部とが設けられた基体を有し、前記複数の供給部から前記流路に複数の被処理流体をそれぞれ流入させ、流入された複数の被処理流体を合流させて処理を施すマイクロ化学チップであって、
前記流路は、前記基体の表面に対して平行に延びる流路と、前記基体の表面に対して垂直に延びる流路とを接続してなる立体的な屈曲部分を有することを特徴とするマイクロ化学チップ。
【請求項２】
前記流路は、前記立体的な屈曲部分より被処理流体の流通方向下流側に、前記基体の表面に対して平行な一平面上で屈曲してなる平面的な屈曲部を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ化学チップ。
【請求項３】
前記基体は、その内部にヒータを備え、
前記ヒータは、前記平面的な屈曲部の直下に位置することを特徴とする請求項２に記載のマイクロ化学チップ。
【請求項４】
前記立体的な屈曲部は、前記基体表面からの距離が異なる位置で、該基体表面に対して平行に延びる複数の流路と、前記基体の厚み方向に延びる流路とを接続してなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のマイクロ化学チップ。
【請求項５】
前記基体はセラミック材料からなることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のマイクロ化学チップ。
【請求項６】
前記基体は、積層したセラミックグリーンシートを焼成一体化してなることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のマイクロ化学チップ。
【請求項７】
前記基体に対してセラミックグリーンシートを焼成一体化してなる蓋体を備えることを特徴とする請求項６に記載のマイクロ化学チップ。
【請求項１】
被処理流体を流通させる流路と、前記流路に接続され且つ該流路に複数の被処理流体をそれぞれ流入させる複数の供給部とが設けられた基体を有し、前記複数の供給部から前記流路に複数の被処理流体をそれぞれ流入させ、流入された複数の被処理流体を合流させて処理を施すマイクロ化学チップであって、
前記流路は、前記基体の表面に対して平行に延びる流路と、前記基体の表面に対して垂直に延びる流路とを接続してなる立体的な屈曲部分を有することを特徴とするマイクロ化学チップ。
【請求項２】
前記流路は、前記立体的な屈曲部分より被処理流体の流通方向下流側に、前記基体の表面に対して平行な一平面上で屈曲してなる平面的な屈曲部を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ化学チップ。
【請求項３】
前記基体は、その内部にヒータを備え、
前記ヒータは、前記平面的な屈曲部の直下に位置することを特徴とする請求項２に記載のマイクロ化学チップ。
【請求項４】
前記立体的な屈曲部は、前記基体表面からの距離が異なる位置で、該基体表面に対して平行に延びる複数の流路と、前記基体の厚み方向に延びる流路とを接続してなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のマイクロ化学チップ。
【請求項５】
前記基体はセラミック材料からなることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のマイクロ化学チップ。
【請求項６】
前記基体は、積層したセラミックグリーンシートを焼成一体化してなることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のマイクロ化学チップ。
【請求項７】
前記基体に対してセラミックグリーンシートを焼成一体化してなる蓋体を備えることを特徴とする請求項６に記載のマイクロ化学チップ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−１３０５０２（Ｐ２００６−１３０５０２Ａ）
【公開日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３１６７８５（Ｐ２００５−３１６７８５）
【出願日】平成１７年１０月３１日（２００５．１０．３１）
【分割の表示】特願２００３−１１４８２１（Ｐ２００３−１１４８２１）の分割
【原出願日】平成１５年４月１８日（２００３．４．１８）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月３１日（２００５．１０．３１）
【分割の表示】特願２００３−１１４８２１（Ｐ２００３−１１４８２１）の分割
【原出願日】平成１５年４月１８日（２００３．４．１８）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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