マイクロ流体チップ及びその製造方法
【課題】 特別なポンプやバルブを必要とせずに、極微量の液体を送液又は秤取することができるマイクロ流体チップを提供する。
【解決手段】 対面基板と、第１の基板と、薄膜と、第２の基板との少なくとも４層構造からなり、
前記第１の基板は、前記対面基板接合面側に、少なくとも１本の空気通路と、この通路の両端に配設された第１の貫通孔と第２の貫通孔とを有し、
前記薄膜は前記第１の基板の各貫通孔の開口部を密閉すると共に、前記空気通路及び各貫通孔内が真空状態に保たれることにより、前記各貫通孔内に凹陥してそれぞれ対応する第１の凹陥部及び第２の凹陥部を形成しており、
前記第２の基板は、前記薄膜接合面側に少なくとも１本の微細流路を有し、該微細流路の一端には、この微細流路に連通する大気に向かって開放したポートが配設されており、該微細流路の他端は、前記第２の凹陥部の上面に配置されていることを特徴とするマイクロ流体チップ。
【解決手段】 対面基板と、第１の基板と、薄膜と、第２の基板との少なくとも４層構造からなり、
前記第１の基板は、前記対面基板接合面側に、少なくとも１本の空気通路と、この通路の両端に配設された第１の貫通孔と第２の貫通孔とを有し、
前記薄膜は前記第１の基板の各貫通孔の開口部を密閉すると共に、前記空気通路及び各貫通孔内が真空状態に保たれることにより、前記各貫通孔内に凹陥してそれぞれ対応する第１の凹陥部及び第２の凹陥部を形成しており、
前記第２の基板は、前記薄膜接合面側に少なくとも１本の微細流路を有し、該微細流路の一端には、この微細流路に連通する大気に向かって開放したポートが配設されており、該微細流路の他端は、前記第２の凹陥部の上面に配置されていることを特徴とするマイクロ流体チップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は遺伝子解析などの化学／生化学分析などに広く使用されるマイクロ流体制御機構付マイクロ流体チップに関する。更に詳細には、本発明は極微量の試料を定量採取することができる流体制御機構を有するマイクロ流体チップに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、マイクロスケール・トータル・アナリシス・システムズ（μＴＡＳ）又はラブ・オン・チップ(Lab-on-Chip)などの名称で知られるように、基板内にマイクロチャネルや反応容器及びポートなどの微細構造を設け、該微細構造内で物質の化学反応、合成、精製、抽出、生成及び／又は分析など各種の操作を行うように構成されたマイクロデバイスが提案され、一部実用化されている。このような目的のために製作された、基板内にマイクロチャネル、ポート及び反応容器などの微細構造を有する構造物は総称して「マイクロ流体チップ」又は単に「マイクロチップ」と呼ばれる。マイクロ流体チップは遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニングなどの化学、生化学、薬学、医学、獣医学分野のみならず、化学工業、環境計測などの幅広い用途に使用できる。常用サイズの同種の装置に比べて、マイクロチップは(1)サンプル及び試薬の使用量が著しく少ない、(2)分析時間が短い、(3)感度が高い、(4)現場に携帯し、その場で分析できる、及び(5)使い捨てできるなどの利点を有する。
【０００３】
従来のマイクロ流体チップ１００は、例えば、図１２Ａ及びＢに示されるように、第１の基板１０１に少なくとも１本のマイクロチャネル１０２が形成されており、このマイクロチャネル１０２の少なくとも一端には入出力ポート１０３，１０４が形成されており、基板１０１の下面側に対面基板１０５が接着されている。この対面基板１０５の存在により、ポート１０３，１０４及びマイクロチャネル１０２の底部が封止される。入出力ポート１０３，１０４の主な用途は、(a)試薬や検体サンプルの注入（分注）、(b)廃液や生成物の取り出し、(c)気体圧力の供給（主に、送液のための正圧や負圧の印加）、(d)大気開放（送液時に発生する内圧の分散や、反応で生じたガスの解放）及び(e)密閉（液体の蒸発防止や故意に内圧を発生させる目的のため）などである。
【０００４】
マイクロ流体チップ１００を実際に使用する場合に問題となるのは、分析のために必要な試料を一定量秤取することである。このため、このようなマイクロ流体チップには連続的な液体の流れや、微小液滴の移送を制御する目的で、マイクロチャネルの途中にマイクロポンプ及び／又はマイクロバルブが配設されることがある。このようなマイクロポンプ及び／又はマイクロバルブは例えば、特許文献１及び特許文献２に記載されている。
【０００５】
特許文献１の図１に記載されているマイクロバルブは、太い第１の導管と、この第１の導管より細径に形成されると共に、一方の端部が第１の導管と連通するように連接された複数本の細管と、この細管より大径に形成されると共に、細管の他方の端部と連通するように連接された第２の導管を有し、細管の内壁面は疎水性に形成されていることからなる。このマイクロバルブによれば、第１の導管内に液体を導入した際に、この液体を境界とした第１の導管側の圧力と第２の導管側の圧力との圧力差に応じて第１の導管内の液体に位置を任意に制御することができる。しかし、特許文献１のマイクロバルブでは、複数本の細管を形成するのが非常に困難であるばかりか、圧力差が大きすぎると細管が破損される危険性がある。また、この細管部分だけを特異的に疎水性にする処理も非常に困難である。更に、特許文献１のマイクロバルブの細管は、ポンプを使用しなければ圧力差を発生させることができない。
【０００６】
特許文献２の図３に記載されているマイクロバルブは、２つのポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）マイクロ流路チップと１枚のメンブレンからなり、バルブ領域において変位するメンブレンが弁座に離着して作動流体通路を開閉する弁機構を有する。更に、このマイクロバルブでは、バルブ領域において駆動流体の圧力が作用する圧力室を有する駆動流体通路が前記メンブレンに接着して形成されており、圧力室に駆動流体の圧力を給排することによってメンブレンを変位させて弁座と離着させて一方弁として開閉するように構成されている。しかし、特許文献２に記載されているマイクロバルブは、便座に離着するメンブランが圧力室に向かって片方向に変位するだけなので、バルブ開時のメンブランと弁座との隙間が不十分であり、流体の流動性が低く脈流が発生する原因となっていた。また、駆動流体の圧力はガラスパイプを介して真空ポンプから供給されるので、装置全体が複雑かつ高価となる。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２７８１３号公報
【特許文献２】特許第３４１８７２７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、本発明の目的は特別なポンプやバルブを必要とせずに、極微量の液体を送液又は秤取することができるマイクロ流体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】
前記課題を解決するための請求項１の手段は、対面基板と、第１の基板と、薄膜と、第２の基板との４層構造からなり、
前記第１の基板は、前記対面基板接合面側に、少なくとも１本の空気通路と、この通路の両端に配設された第１の貫通孔と第２の貫通孔とを有し、
前記薄膜は前記第１の基板の各貫通孔の開口部を密閉すると共に、前記空気通路及び各貫通孔内が真空状態に保たれることにより、前記各貫通孔内に凹陥してそれぞれ対応する第１の凹陥部及び第２の凹陥部を形成しており、
前記第２の基板は、前記薄膜接合面側に少なくとも１本の微細流路を有し、該微細流路の一端には、この微細流路に連通する大気に向かって開放したポートが配設されており、該微細流路の他端は、前記第２の凹陥部の上面に配置されていることを特徴とするマイクロ流体チップである。
【００１０】
前記のような構成を採用することにより、第１の凹陥部の外部から針などを穿刺して“真空破り”すると、空気通路及び各貫通孔内が大気圧に戻るときに、凹陥していた薄膜が復元し、その際急激な圧力変化が生じるので、この圧力変化を利用することにより、従来のポンプと同じ作用を発揮させることができる。
【００１１】
前記課題を解決するための請求項２の手段は、請求項１記載のマイクロ流体チップにおいて、前記対面基板がガラスからなり、前記第１の基板、薄膜及び第２の基板が何れも、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）からなることを特徴とするマイクロ流体チップである。
【００１２】
請求項２のマイクロ流体チップによれば、対面基板がガラスであると、第１のＰＤＭＳ基板と自己吸着又は恒久接着することができ、また、ＰＤＭＳ薄膜と各ＰＤＭＳ基板同士も自己吸着又は恒久接着することができるので、高度な封止性が容易に実現できる。
【００１３】
前記課題を解決するための請求項３の手段は、請求項１記載のマイクロ流体チップにおいて、前記少なくとも１本の微細流路に対して、少なくとも１本の微細流路が直交していることを特徴とするマイクロ流体チップである。
【００１４】
請求項３のマイクロ流体チップによれば、一方の微細流路内に液体試料を注入した後、この微細流路に直交する他方の微細流路を前記のように“真空破り”することにより、微細流路の交差点部分の容積に相当する容量の液体試料を秤取することができる。
【００１５】
前記課題を解決するための請求項４の手段は、マイクロ流体チップの製造方法であって、(1)一方の面に空気通路と、この空気通路の一方の端部に第１の貫通孔と他方の端部に第２の貫通孔を有する第１の基板を、前記空気通路形成面側を対面基板に接合するステップと、
(2)前記第１の基板の上面に薄膜を被せて前記第１の基板の前記第１及び第２の貫通孔を封止するステップと、
(3)前記対面基板、第１の基板及び薄膜との３層構造物を真空槽内に入れ、減圧下で第１の基板の封止された空気通路及び各貫通孔内の空気を排気し、前記第１の貫通孔及び第２の貫通孔に対応する位置にそれぞれ第１の凹陥部及び第２の凹陥部を形成するステップと、
(4)一方の面に微細流路を有し、該微細流路の一方の端部には、大気に向かって開放したポートが配設されている第２の基板を、前記微細流路の他端が前記第２の凹陥部の上面に配置されるように、前記薄膜上に接合させるステップを有することを特徴とするマイクロ流体チップの製造方法である。
【００１６】
第１の基板及び／又は薄膜が気体透過性の素材から形成されていれば、密閉された空気通路及び各貫通孔内の空気を排気することができ、これにより、貫通孔部分に凹陥部を形成することができ、露出された凹陥部に針を突き刺して“真空破り”することにより、空気通路及び各貫通孔内が大気圧に戻るときに、凹陥していた薄膜が復元し、その際急激な圧力変化が生じるので、この圧力変化を利用することにより、従来のポンプと同じ作用を発揮させることができる。
【００１７】
前記課題を解決するための請求項５の手段は、請求項４記載のマイクロ流体チップの製造方法において、前記対面基板がガラスからなり、前記第１の基板、薄膜及び第２の基板が何れも、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）からなることを特徴とするマイクロ流体チップである。
【００１８】
請求項５のマイクロ流体チップの製造方法において、第１の基板及び／又は薄膜がＰＤＭＳ製であると、ＰＤＭＳは気体透過性があるので、真空吸引することにより空気通路及び貫通孔内の空気を排気することができ、その結果、凹陥部を形成することができる。また、対面基板がガラスであると、第１のＰＤＭＳ基板と自己吸着又は恒久接着することができ、また、ＰＤＭＳ薄膜と各ＰＤＭＳ基板同士も自己吸着又は恒久接着することができるので、高度な封止性が容易に実現できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のマイクロ流体チップによれば、減圧状態の凹陥部を設け、この凹陥部に外部から針を突き刺して“真空破り”することにより鋭敏な圧力変化を生じさせ、これによりポンプ作用を起こさせることができる。その結果、従来のような機械的又は電気的なマイクロポンプやバルブなどのような煩雑な機能を必要とせずに、簡単な送液及び／又は微量液体秤取が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照しながら本発明のマイクロ流体チップの好ましい実施態様について具体的に例証する。図１Ａは本発明のマイクロ流体チップの一例の概要平面図であり、図１Ｂは、図１ＡにおけるＢ−Ｂ線に沿った概要断面図である。図２は、図１Ｂに示されるマイクロ流体チップ１の使用状態を示す概要断面図である。図３は、図１Ｂに示されるマイクロ流体チップの製造方法の一例を説明する工程図である。図４は、本発明のマイクロ流体チップの別の例の概要平面図である。図５Ａ及び図５Ｂは、図４に示されたマイクロ流体チップの使用方法の一例を示す概念的平面図である。図６は、本発明のマイクロ流体チップの更に別の例の概要平面図である。図７Ａ及び図７Ｂは、図６に示されたマイクロ流体チップの使用方法の一例を示す概念的平面図である。図８は、本発明のマイクロ流体チップの更に他の例の概要平面図である。図９Ａ及び図９Ｂは、図８に示されたマイクロ流体チップの使用方法の一例を示す概念的平面図である。
【００２１】
図１Ａ及び図１Ｂに示されるように、本発明のマイクロ流体チップ１は、対面基板３の上面に、第１のＰＤＭＳ基板５が貼着されており、ＰＤＭＳ薄膜７を介して第２のＰＤＭＳ基板９が積層されている。第１のＰＤＭＳ基板５には、第１の貫通孔１１と第２の貫通孔１３が配設されており、これら貫通孔は空気通路１５によりそれぞれ連通されている。各貫通孔と空気通路内は真空又は減圧状態に維持されているため、上部に貼着されているＰＤＭＳ薄膜７は、貫通孔部分で内部に引き込まれるように凹陥し、第１の凹陥部１７と第２の凹陥部１９を形成している。第２の凹陥部１９には送液すべき液体試料２１が載置されている。ＰＤＭＳは疎水性なので毛細管現象は起きないので、第２の凹陥部１９内に収容されていた液体試料２１は微細流路２３内には流れ出ることなく、第２の凹陥部１９内にそのまま留まる。この第２の凹陥部１９を覆うように第２のＰＤＭＳ基板９が積層されている。第２のＰＤＭＳ基板９には、微細流路２３と、大気に向かって開口したポート２５が配設されている。微細流路２３の一端はポート２５に連通している。微細流路２３の他端は、第２の凹陥部１９を覆い尽くすのに必要十分な面積を有するように拡径された拡大部２７を有する。拡大部２７の大きさは第２の凹陥部１９より小さくてもよい。拡大部２７を設けることの利点は、第２のＰＤＭＳ基板９の位置決めが容易になることである。しかし、微細流路２３の他端に拡大部２７を設けることは本発明の必須要件ではない。微細流路２３の通常の幅及び高さを有する他端を第２の凹陥部１９の上面に配置させるだけでも本発明の作用効果を十分に達成することができる。拡大部２７が第２の凹陥部１９より小さい場合又は拡大部２７を設けない場合、圧力変化が一層シャープになるという利点がある。
【００２２】
図２は、図１Ｂに示されたマイクロ流体チップ１の使用状態を示す概要断面図である。第１の凹陥部１７の外部から針等を突き刺すことにより、各貫通孔及び空気通路内の真空を解除すると、ＰＤＭＳ薄膜７は元のフラットな状態に戻る。その際、第２の凹陥部１９内に収容されていた液体試料２１は微細流路２３内に加圧送液される。このような“真空破り”によれば、圧力変化がシャープになり、特別なポンプを使用しなくても液体を送液することができる。微細流路２３内の液体試料２１はポート２５から取り出すこともできるが、後記するように別の微細流路を経て他のポートから取り出すこともできる。微細流路の他端に拡大部２７を設けず、通常の幅及び高さのままの他端を第２の凹陥部１９の上面に配置して“真空破り”した場合、圧力変化が一層シャープになるという利点が得られる。
【００２３】
次に、図３を参照しながら、図１に示されるマイクロ流体チップの製造方法を説明する。図３（Ａ）に示されるように、対面基板３に第１のＰＤＭＳ基板５を貼着させた部材を準備する。第１のＰＤＭＳ基板５には空気通路１５と第１の貫通孔１１及び第２の貫通孔１３が形成されている。これら空気通路は常用の光リソグラフィー法により形成することができ、光リソグラフィー法自体は当業者に公知であり、特に説明する必要はないであろう。また、各貫通孔は機械的な穴開け又は穿孔手段により形成することができる。各貫通孔の内径は同一であることもできるし、あるいは異なっていてもよい。例えば、第１の貫通孔１１の内径よりも第２の貫通孔１３の内径を大きくすることができる。特に、第２の貫通孔１３の内径は後で載置される液体試料２１の容量などを考慮して適宜決定することができる。例えば、数百μｍ〜数ｍｍ程度である。また、空気通路１５の幅及び高さは適宜選択することができる。一例として、数μｍ〜数百μｍ程度である。第１のＰＤＭＳ基板５の厚さは数百μｍ〜数ｍｍ程度であり、対面基板３の厚さも数百μｍ〜数ｍｍ程度である。対面基板３の素材はガラス、プラスチックなど、第１のＰＤＭＳ基板５と密着することができる素材であれば全て使用することができる。しかし、対面基板３の素材としては、ＰＤＭＳと恒久接着できるガラスが好ましい。
【００２４】
次いで、図３（Ｂ）に示されるように、第１のＰＤＭＳ基板５の上面にＰＤＭＳ薄膜７を貼着する。ＰＤＭＳ同士は恒久接着するという性質がある。恒久接着とは、酸素プラズマなどの雰囲気下で表面改質することにより、接着剤無しでＰＤＭＳ同士を相互に接着することができる性質のことであり、ＰＤＭＳ同士間で優れた接着性又は密着性を発揮させることができる。ＰＤＭＳ薄膜７の膜厚は数μｍ〜数十μｍ程度である。余り薄すぎると、後記の真空吸引工程で破損する危険性があるので好ましくない。一方、余り厚すぎると、真空吸引の妨げとなるばかりか、“真空破り”をしたときの反発力が弱く、圧力変化がシャープにならないという欠点がある。しかし、薄膜７は、柔軟性、伸縮性、疎水性、気体透過性などの特性を有するものであれば、ＰＤＭＳ以外の素材であることもできる。
【００２５】
その後、前記（Ｂ）ステップで得られた部材を真空槽３０内に配置し、真空吸引し、真空槽３０内を減圧状態にする。図３（Ｃ−１）に示されるように、減圧雰囲気中に曝されるため、ＰＤＭＳ薄膜７は最初は膨張する。しかし、ＰＤＭＳは極僅かであるが気体透過性があるので、貫通孔１１及び１３と空気通路１５の密閉空間内の空気はＰＤＭＳ薄膜７を通して除去される。その後、真空槽３０内を真空解除することによって、ＰＤＭＳ薄膜７が凹み、貫通孔１１及び１３と空気通路１５の密閉空間内が減圧状態となる。その結果、図３（Ｃ−２）に示されるように、ＰＤＭＳ薄膜７は貫通孔１１及び１３内に吸い込まれ、第１の凹陥部１７と第２の凹陥部１９がそれぞれ形成される。真空排気時間を調整することにより凹陥部の容積を変化させることができる。凹陥部の最大容積は貫通孔の容積と略同一となる時点である。
【００２６】
次いで、真空槽３０から、凹陥部の形成された部材を取り出す。取り出した後、第２の凹陥部１９内に所定容量の液体試料２１を注入し、図３（Ｄ）に示されるような部材を形成する。液体試料２１の注入容量は後の工程で積重される第２のＰＤＭＳ基板９の微細流路２３及びポート２５の容積を勘案して決定することが好ましい。
【００２７】
その後、図３（Ｅ）に示されるように、第２の凹陥部１９を覆うように第２のＰＤＭＳ基板９を積層させる。斯くして、図１に示される本発明のマイクロ流体チップ１が得られる。第１のＰＤＭＳ基板５と同様に、第２のＰＤＭＳ基板９もＰＤＭＳ薄膜７と恒久接着することができる。第２のＰＤＭＳ基板９の微細流路２３及びポート２５は、第１のＰＤＭＳ基板５の空気通路１５及び貫通孔１１，１３と同様な光リソグラフィー法により形成することができる。第２のＰＤＭＳ基板９の厚さは数百μｍ〜数ｍｍ程度である。第２のＰＤＭＳ基板９の微細流路２３の幅及び高さは数十μｍ〜数百μｍ程度であり、ポート２５の内径は数百μｍ〜数ｍｍ程度である。微細流路２３及びポート２５のサイズは第２の凹陥部１９に注入される液体試料２１の容量を考慮して決定することができる。第２の基板９はＰＤＭＳ以外の他のプラスチック又はガラス、セラミックなどから形成することもできる。
【００２８】
図４は、本発明のマイクロ流体チップの別の例の概要平面図である。図４に示されるマイクロ流体チップ１Ａでは、微細流路が２本直交するように配設され、微細流路の交差点部分の容積に相当する容積の液体試料を定量採取することができる。
図４のマイクロ流体チップ１Ａは、基本的に図１Ｂに示された４層構造と同様な断面構造を有する。マイクロ流体チップ１Ａは、具体的には、空気通路１５Ａで連通された第１の凹陥部１７Ａと第２の凹陥部１９Ａを有し、かつ、第１の微細流路２３Ａを有し、第１の微細流路２３Ａの一端には大気に向かって開口した第１のポート２５Ａが配設され、第１の微細流路２３Ａの他端は、第２の凹陥部１９Ａを覆い尽くすのに必要十分な面積を有するように拡径された第１の拡大部２７Ａが配設されている。第２の凹陥部１９Ａには送液すべき液体試料２１が載置されている。更に、空気通路１５Ｂで連通された第３の凹陥部１７Ｂと第４の凹陥部１９Ｂを有し、かつ、第２の微細流路２３Ｂを有し、第２の微細流路２３Ｂの一端には大気に向かって開口した第２のポート２５Ｂが配設され、第２の微細流路２３Ｂの他端は、第４の凹陥部１９Ｂを覆い尽くすのに必要十分な面積を有するように拡径された第２の拡大部２７Ｂが配設されている。しかし、第４の凹陥部１９Ｂ内には何も注入されていないブランクのままである。第１の微細流路２３Ａと第２の微細流路２５Ｂとは同一平面内で直角に交差しており、交差点３２で相互に連通している。
【００２９】
図５Ａ及び図５Ｂは、図４に示されたマイクロ流体チップの使用方法の一例を示す概念的平面図である。図５Ａにおいて、第１の凹陥部１７Ａの外部から針等を突き刺すことにより真空を解除すると、第１の凹陥部１７Ａ及び第２の凹陥部１９Ａに対応する部分のＰＤＭＳ薄膜７は元のフラットな状態に戻る。その際、第１の拡大部２７Ａ内の圧力が急激に高まり、第２の凹陥部１９Ａ内に収容されていた液体試料２１は第１の微細流路２３Ａ内に加圧送液される。次いで、図５Ｂにおいて、第３の凹陥部１７Ｂの外部から針等を突き刺すことにより真空を解除すると、第３の凹陥部１７Ｂ及び第４の凹陥部１９Ｂに対応する部分のＰＤＭＳ薄膜７は元のフラットな状態に戻る。その際、第２の拡大部２７Ｂ内の圧力が急激に高まり、圧力は第２のポート２５Ｂに向かって伝播するので、第１の微細流路２３Ａと第２の微細流路２３Ｂとの交差点３２部分の液体試料２１が、第２の微細流路２３Ｂを介して第２のポート２５Ｂに加圧送液される。斯くして、第１の微細流路２３Ａと第２の微細流路２３Ｂとの交差点３２部分の容積に対応する極微量容量の液体試料２１を正確に秤取し、第２のポート２５Ｂから取り出すことができる。
【００３０】
図６は、本発明のマイクロ流体チップの更に別の例の概要平面図である。図６に示されるマイクロ流体チップ１Ｂでは、第１の微細流路に対して複数本の微細流路が直交するように配設されている。その結果、交差点部分も複数個形成されるため、微細流路の各交差点部分の容積に相当する容積の液体試料を複数個定量採取することができる。
図６のマイクロ流体チップ１Ｂは、基本的に図１Ｂに示された４層構造と同様な断面構造を有する。マイクロ流体チップ１Ｂは、具体的には、空気通路１５Ａで連通された第１の凹陥部１７Ａと第２の凹陥部１９Ａを有し、かつ、第１の微細流路２３Ａを有し、第１の微細流路２３Ａの一端には大気に向かって開口した第１のポート２５Ａが配設され、第１の微細流路２３Ａの他端は、第２の凹陥部１９Ａを覆い尽くすのに必要十分な面積を有するように拡径された第１の拡大部２７Ａが配設されている。第２の凹陥部１９Ａには送液すべき液体試料２１が載置されている。更に、空気通路１５Ｂで連通された第３の凹陥部１７Ｂと第４の凹陥部１９Ｂを有し、かつ、第２の微細流路２３Ｂを有し、第２の微細流路２３Ｂの一端には大気に向かって開口した第２のポート２５Ｂが配設され、第２の微細流路２３Ｂの他端は、第４の凹陥部１９Ｂを覆い尽くすのに必要十分な面積を有するように拡径された第２の拡大部２７Ｂが配設されている。しかし、第４の凹陥部１９Ｂ内には何も注入されていないブランクのままである。第１の微細流路２３Ａと第２の微細流路２３Ｂとは同一平面内で直角に交差しており、交差点３２−１で相互に連通している。１５Ｂ〜２７Ｂの各部材と並列に、１５Ｃ〜２７Ｃの各部材が配列されている。即ち、空気通路１５Ｃで連通された第５の凹陥部１７Ｃと第６の凹陥部１９Ｃを有し、かつ、第３の微細流路２３Ｃを有し、第３の微細流路２３Ｃの一端には大気に向かって開口した第３のポート２５Ｃが配設され、第３の微細流路２３Ｃの他端は、第６の凹陥部１９Ｃを覆い尽くすのに必要十分な面積を有するように拡径された第３の拡大部２７Ｃが配設されている。しかし、第６の凹陥部１９Ｃ内には何も注入されていないブランクのままである。第１の微細流路２３Ａと第３の微細流路２３Ｃとは同一平面内で直角に交差しており、交差点３２−２で相互に連通している。
【００３１】
図５Ａ及び図５Ｂに関連して説明した態様と同様に、図７Ａにおいて、第１の凹陥部１７Ａの外部から針等を突き刺すことにより真空を解除すると、第１の凹陥部１７Ａ及び第２の凹陥部１９Ａに対応する部分のＰＤＭＳ薄膜７は元のフラットな状態に戻る。その際、第１の拡大部２７Ａ内の圧力が急激に高まり、第２の凹陥部１９Ａ内に収容されていた液体試料２１は第１の微細流路２３Ａ内に加圧送液される。次いで、図７Ｂにおいて、第３の凹陥部１７Ｂ及び第５の凹陥部１７Ｃの外部から針等を突き刺すことにより真空を解除すると、第３の凹陥部１７Ｂ及び第４の凹陥部１９Ｂと第５の凹陥部１７Ｃ及び第６の凹陥部１９Ｃに対応する部分のＰＤＭＳ薄膜７は元のフラットな状態に戻る。その際、第２の拡大部２７Ｂ及び第３の拡大部２７Ｃ内の圧力が急激に高まり、圧力は第２のポート２５Ｂ及び第３のポート２５Ｃに向かって伝播するので、第１の微細流路２３Ａと第２の微細流路２３Ｂとの交差点３２−１部分及び第１の微細流路２３Ａと第３の微細流路２３Ｃとの交差点３２−２部分の液体試料２１が、第２の微細流路２３Ｂ及び第３の微細流路２３Ｃを介して第２のポート２５Ｂ及び第３のポート２５Ｃに加圧送液される。斯くして、第１の微細流路２３Ａと第２の微細流路２３Ｂとの交差点３２−１部分及び第１の微細流路２３Ａと第３の微細流路２３Ｃとの交差点３２−２部分の容積に対応する極微量容量の液体試料２１を正確に秤取し、第２のポート２５Ｂ及び第３のポート２５Ｃから取り出すことができる。液体試料を供給する微細流路２３Ａに対して直交する試料採取用の微細流路２３Ｂ〜２３Ｃの本数を増やすことにより更に多くの試料を個別的に定量秤取することができる。
【００３２】
図８は、本発明のマイクロ流体チップの更に他の例の概要平面図である。図８に示されるマイクロ流体チップ１Ｃでは、液体試料供給用の第１の微細流路及び第２の微細流路に対して複数本の液体試料秤取用の微細流路が直交するように配設されている。その結果、交差点部分も複数個形成されるため、微細流路の各交差点部分の容積に相当する容積の液体試料を混合状態で複数個定量採取することができる。
図８のマイクロ流体チップ１Ｃは、基本的に図１Ｂに示された４層構造と同様な断面構造を有する。マイクロ流体チップ１Ｃは、具体的には、空気通路１５Ａで連通された第１の凹陥部１７Ａと第２の凹陥部１９Ａを有し、かつ、第１の微細流路２３Ａを有し、第１の微細流路２３Ａの一端には大気に向かって開口した第１のポート２５Ａが配設され、第１の微細流路２３Ａの他端は、第２の凹陥部１９Ａを覆い尽くすのに必要十分な面積を有するように拡径された第１の拡大部２７Ａが配設されている。第２の凹陥部１９Ａには送液すべき第１の液体試料２１Ａが載置されている。更に、空気通路１５Ａと平行に、空気通路１５Ｂで連通された第３の凹陥部１７Ｂと第４の凹陥部１９Ｂを有し、かつ、第２の微細流路２３Ｂを有し、第２の微細流路２３Ｂの一端には大気に向かって開口した第２のポート２５Ｂが配設され、第２の微細流路２３Ｂの他端は、第４の凹陥部１９Ｂを覆い尽くすのに必要十分な面積を有するように拡径された第２の拡大部２７Ｂが配設されている。第４の凹陥部１９Ｂには送液すべき第２の液体試料２１Ｂが載置されている。第１の微細流路２３Ａ及び第２の微細流路２３Ｂと直交するように、第３の微細流路２３Ｃ及び第４の微細流路２３Ｄが配設されている。即ち、第３の微細流路２３Ｃは第１の微細流路２３Ａと交差点３２−１Ａで交差し、第２の微細流路２３Ｂと交差点３２−１Ｂで交差する。同様に、第４の微細流路２３Ｄは第１の微細流路２３Ａと交差点３２−２Ａで交差し、第２の微細流路２３Ｂと交差点３２−２Ｂで交差する。第３の微細流路２３Ｃの一端には大気に向かって開口した第３のポート２５Ｃが配設され、他端には、第３の拡大部２７Ｃが配設されている。第３の拡大部２７Ｃの下部にはこの拡大部の径よりも小さな径の第６の凹陥部１９Ｃが存在し、この第６の凹陥部１９Ｃは第３の空気通路１５Ｃにより連通される第５の凹陥部１７Ｃが配設されている。同様に、第４の微細流路２３Ｄの一端には大気に向かって開口した第４のポート２５Ｄが配設され、他端には、第４の拡大部２７Ｄが配設されている。第４の拡大部２７Ｄの下部にはこの拡大部の径よりも小さな径の第８の凹陥部１９Ｄが存在し、この第８の凹陥部１９Ｄは第４の空気通路１５Ｄにより連通される第７の凹陥部１７Ｄが配設されている。第６の凹陥部１９Ｃ及び第８の凹陥部１９Ｄ内には何も注入されていないブランクのままである。
【００３３】
図５Ａ及び図５Ｂに関連して説明した態様と同様に、図９Ａにおいて、第１の凹陥部１７Ａの外部から針等を突き刺すことにより真空を解除すると、第１の凹陥部１７Ａ及び第２の凹陥部１９Ａに対応する部分のＰＤＭＳ薄膜７は元のフラットな状態に戻る。その際、第１の拡大部２７Ａ内の圧力が急激に高まり、第２の凹陥部１９Ａ内に収容されていた第１の液体試料２１Ａは第１の微細流路２３Ａ内に加圧送液される。同様に、第３の凹陥部１７Ｂの外部から針等を突き刺すことにより真空を解除すると、第３の凹陥部１７Ｂ及び第４の凹陥部１９Ｂに対応する部分のＰＤＭＳ薄膜７は元のフラットな状態に戻る。その際、第２の拡大部２７Ｂ内の圧力が急激に高まり、第４の凹陥部１９Ｂ内に収容されていた第２の液体試料２１Ｂは第２の微細流路２３Ｂ内に加圧送液される。次いで、図９Ｂにおいて、第５の凹陥部１７Ｃの外部から針等を突き刺すことにより真空を解除すると、第５の凹陥部１７Ｃ及び第６の凹陥部１９Ｃに対応する部分のＰＤＭＳ薄膜７は元のフラットな状態に戻る。その際、第３の拡大部２７Ｃ内の圧力が急激に高まり、圧力は第３のポート２５Ｃに向かって伝播するので、第１の微細流路２３Ａとの交差点３２−１Ａ部分の第１の液体試料２１Ａと、第２の微細流路２３Ｂとの交差点３２−１Ｂ部分の第２の液体試料２１Ｂが、第３の微細流路２３Ｃを介して第３のポート２５Ｃに混合状態で加圧送液される。斯くして、第１の微細流路２３Ａの交差点３２−１Ａ部分と第２の微細流路２３Ｂの交差点３２−１Ｂ部分の容積に対応する極微量容量の第１の液体試料２１Ａと第２の液体試料２１Ｂを正確に秤取し、均一に混合された状態で第３のポート２５Ｃから取り出すことができる。第７の凹陥部１７Ｄに対しても前記と同様に穿刺処理すると、前記と同様に、第１の微細流路２３Ａの交差点３２−２Ａ部分と第２の微細流路２３Ｂの交差点３２−２Ｂ部分の容積に対応する極微量容量の第１の液体試料２１Ａと第２の液体試料２１Ｂを正確に秤取し、均一に混合された状態で第４のポート２５Ｄから取り出すことができる。
【００３４】
図１０は、本発明のマイクロ流体チップの更に他の例の概要平面図である。図１０に示されるマイクロ流体チップ１Ｄでは、第１の微細流路の両端に大気に向かって開放したポートが形成されているので、一方のポートから他方のポートに向かって液体試料を注入することにより第１の微細流路内に液体試料を満たすことができる。更に、この第１の微細流路に対して複数本の微細流路が直交するように配設されている。その結果、交差点部分も複数個形成されるため、微細流路の各交差点部分の容積に相当する容積の液体試料を複数個定量採取することができる。
図１０のマイクロ流体チップ１Ｄは、基本的に図１Ｂに示された４層構造と同様な断面構造を有する。マイクロ流体チップ１Ｄは、具体的には、大気に向かって開放した第１のポート２５Ａと第５のポート２５Ｅが各端部に配設された第１の微細流路２３Ａを有する。更に、空気通路１５Ｂで連通された第３の凹陥部１７Ｂと第４の凹陥部１９Ｂを有し、かつ、第２の微細流路２３Ｂを有し、第２の微細流路２３Ｂの一端には大気に向かって開口した第２のポート２５Ｂが配設され、第２の微細流路２３Ｂの他端は、第４の凹陥部１９Ｂを覆い尽くすのに必要十分な面積を有するように拡径された第２の拡大部２７Ｂが配設されている。しかし、第４の凹陥部１９Ｂ内には何も注入されていないブランクのままである。第１の微細流路２３Ａと第２の微細流路２３Ｂとは同一平面内で直角に交差しており、交差点３２−１で相互に連通している。１５Ｂ〜２７Ｂの各部材と並列に、１５Ｃ〜２７Ｃの各部材が配列されている。即ち、空気通路１５Ｃで連通された第５の凹陥部１７Ｃと第６の凹陥部１９Ｃを有し、かつ、第３の微細流路２３Ｃを有し、第３の微細流路２３Ｃの一端には大気に向かって開口した第３のポート２５Ｃが配設され、第３の微細流路２３Ｃの他端は、第６の凹陥部１９Ｃを覆い尽くすのに必要十分な面積を有するように拡径された第３の拡大部２７Ｃが配設されている。しかし、第６の凹陥部１９Ｃ内には何も注入されていないブランクのままである。第１の微細流路２３Ａと第３の微細流路２３Ｃとは同一平面内で直角に交差しており、交差点３２−２で相互に連通している。
【００３５】
図１１Ａにおいて、第１のポート２５Ａから第５のポート２５Ｅに向けて液体試料２１を注入することにより第１の微細流路２３Ａ内に液体試料２１を満たすことができる。液体試料２１の注入は例えば、第１のポート２５Ａにチューブ（図示されていない）を接続し、チューブの他端にシリンジ（図示されていない）を接続し、このシリンジから液体試料２１を送液することにより行うことができる。この実施態様のマイクロ流体チップでは、図４、図６又は図８などに示された実施態様のマイクロ流体チップに比べて、液体試料２１の供給が容易になるという利点がある。
【００３６】
次いで、図１１Ｂにおいて、第３の凹陥部１７Ｂ及び第５の凹陥部１７Ｃの外部から針等を突き刺すことにより真空を解除すると、第３の凹陥部１７Ｂ及び第４の凹陥部１９Ｂと第５の凹陥部１７Ｃ及び第６の凹陥部１９Ｃに対応する部分のＰＤＭＳ薄膜７は元のフラットな状態に戻る。その際、第２の拡大部２７Ｂ及び第３の拡大部２７Ｃ内の圧力が急激に高まり、圧力は第２のポート２５Ｂ及び第３のポート２５Ｃに向かって伝播するので、第１の微細流路２３Ａと第２の微細流路２３Ｂとの交差点３２−１部分及び第１の微細流路２３Ａと第３の微細流路２３Ｃとの交差点３２−２部分の液体試料２１が、第２の微細流路２３Ｂ及び第３の微細流路２３Ｃを介して第２のポート２５Ｂ及び第３のポート２５Ｃに加圧送液される。斯くして、第１の微細流路２３Ａと第２の微細流路２３Ｂとの交差点３２−１部分及び第１の微細流路２３Ａと第３の微細流路２３Ｃとの交差点３２−２部分の容積に対応する極微量容量の液体試料２１を正確に秤取し、第２のポート２５Ｂ及び第３のポート２５Ｃから取り出すことができる。液体試料を供給する微細流路２３Ａに対して直交する試料採取用の微細流路２３Ｂ〜２３Ｃの本数を増やすことにより更に多くの試料を個別的に定量秤取することができる。
【００３７】
液体試料を供給するための、両端にオープンポートを有する微細流路は１本に限らず、２本以上配設することもできる。この場合、図８の実施態様のマイクロ流体チップと同様に、複数種類の液体試料を定量混合して秤取することができる。
【実施例】
【００３８】
本発明の四層構造のマイクロ流体デバイスを作製した。対面基板３には厚さ１ｍｍの白ガラスを使用し、第１のＰＤＭＳ基板５には厚さ２ｍｍのシリコーンゴムを使用し、ＰＤＭＳ薄膜７には、厚さ４０μｍのシリコーンゴムを使用し、第２のＰＤＭＳ基板９には厚さ２ｍｍのシリコーンゴムを使用した。第１のＰＤＭＳ基板５に配設されている空気通路１５の幅は２００μｍ、深さは１００μｍ、長さは２０ｍｍであり、第１の貫通孔１１及び第２の貫通孔１３の内径はそれぞれφ４ｍｍであった。第２のＰＤＭＳ基板９に配設されている微細流路２３の幅は２００μｍ、深さは２００μｍ、長さは２０ｍｍであり、微細流路２３の一端に設けられている拡大部２７の直径はφ２ｍｍであり、微細流路２３の他端に設けられているポート２５の内径はφ２ｍｍであった。
空気通路１５の形成において、ウエハに厚膜レジストをフォトリソグラフィー法によりパターニング（露光、現像）することで、シリコーンゴムモールド用鋳型として使用した。シリコーンゴムモールド前に、鋳型に離型膜として２０ｎｍのＣＨＦ３膜を形成させた後、シリコーンゴムをモールドし、脱気した。その後、１００℃で４時間加温することでシリコーンゴムを重合させた。その後、鋳型から引き剥がし、空気通路５を有する第１のＰＤＭＳ基板５を形成し、次いで、この第１のＰＤＭＳ基板５を白ガラスからなる対面基板３に恒久接着させ、その後、第１のＰＤＭＳ基板５に第１の貫通孔１１及び第２の貫通孔１３を機械的に穿設した。その後、予め形成しておいたＰＤＭＳ薄膜７を第１のＰＤＭＳ基板５の上面に自己吸着させた。
次いで、前記のようにして得られた三層構造物を真空槽内に収容し、真空槽を密閉した後、真空ポンプにより真空槽内の空気を排気し、真空槽内の圧力を０．１ＭＰａにまで減圧し、この圧力を２０分間維持した。その結果、第１の貫通孔１１及び第２の貫通孔１３の位置にそれぞれ対応する第１の凹陥部１７及び第２の凹陥部１９が形成された。その後、真空槽内の圧力を大気圧にまで戻した後、凹陥部が形成された三層構造物を真空槽から取り出した。
第２の凹陥部１９内に、液体試料２１として着色インクを５μＬ注入した後、拡大部２７で第２の凹陥部１９を覆うように、第２のＰＤＭＳ基板９をＰＤＭＳ薄膜７の上面に自己吸着させた。第２のＰＤＭＳ基板９における微細流路２３、拡大部２７及びポート２５の形成は、第１のＰＤＭＳ基板５における空気通路１５及び貫通孔１１，１３の形成方法と同様な方法により行った。
前記のようにして得られた四層構造のマイクロ流体チップ１において、第１の凹陥部１７の外面側から針を突き刺し、真空を破った。すると、ＰＤＭＳ薄膜７が復元し、第１の凹陥部１７及び第２の凹陥部１９が消失してフラットになると共に、第２の凹陥部１９内の着色インク２１が微細流路２３を介してポート２５にまで送液された。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
以上、本発明の好ましい実施態様について説明してきたが、本発明は図示された実施態様のみに限定されない。例えば、本発明の真空凹陥部の真空破りによる送液機構はマイクロ流体チップだけでなく、様々な分野における微量流体制御機構においても同等に使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１Ａ】本発明のマイクロ流体チップの一例の概要平面図である。
【図１Ｂ】図１ＡにおけるＢ−Ｂ線に沿った概要断面図である。
【図２】図１Ｂに示されるマイクロ流体チップ１の使用状態を示す概要断面図である。
【図３】図１Ｂに示されるマイクロ流体チップの製造方法の一例を説明する工程図である。
【図４】本発明のマイクロ流体チップの別の例の概要平面図である。
【図５Ａ】図４に示されたマイクロ流体チップの使用方法の一例を示す概念的平面図である。
【図５Ｂ】図４に示されたマイクロ流体チップの使用方法の一例を示す概念的平面図である。
【図６】本発明のマイクロ流体チップの更に別の例の概要平面図である。
【図７Ａ】図６に示されたマイクロ流体チップの使用方法の一例を示す概念的平面図である。
【図７Ｂ】図６に示されたマイクロ流体チップの使用方法の一例を示す概念的平面図である。
【図８】本発明のマイクロ流体チップの更に他の例の概要平面図である。
【図９Ａ】図８に示されたマイクロ流体チップの使用方法の一例を示す概念的平面図である。
【図９Ｂ】図８に示されたマイクロ流体チップの使用方法の一例を示す概念的平面図である。
【図１０】本発明のマイクロ流体チップの更に他の例の概要平面図である。
【図１１Ａ】図１０に示されたマイクロ流体チップの使用方法の一例を示す概念的平面図である。
【図１１Ｂ】図１０に示されたマイクロ流体チップの使用方法の一例を示す概念的平面図である。
【図１２】（Ａ）は従来のマイクロ流体チップの一例の概要平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った概要断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 本発明のマイクロ流体チップ
３ 対面基板
５ 第１のＰＤＭＳ基板
７ ＰＤＭＳ薄膜
９ 第２のＰＤＭＳ基板
１１ 第１の貫通孔
１３ 第２の貫通孔
１５ 空気通路
１５Ａ 第１の空気通路
１５Ｂ 第２の空気通路
１５Ｃ 第３の空気通路
１５Ｄ 第４の空気通路
１７，１７Ａ 第１の凹陥部
１９，１９Ａ 第２の凹陥部
１７Ｂ 第３の凹陥部
１７Ｃ 第５の凹陥部
１７Ｄ 第７の凹陥部
１９Ｂ 第４の凹陥部
１９Ｃ 第６の凹陥部
１９Ｄ 第８の凹陥部
２１，２１Ａ，２１Ｂ 液体試料
２３ 微細流路
２３Ａ 第１の微細流路
２３Ｂ 第２の微細流路
２３Ｃ 第３の微細流路
２３Ｄ 第４の微細流路
２５Ａ 第１のポート
２５Ｂ 第２のポート
２５Ｃ 第３のポート
２５Ｄ 第４のポート
２５Ｅ 第５のポート
２７ 拡大部
２７Ａ 第１の拡大部
２７Ｂ 第２の拡大部
２７Ｃ 第３の拡大部
２７Ｄ 第４の拡大部
３０ 真空槽
３２，３２−１，３２−２，３２−１Ａ，３２−１Ｂ，３２−２Ａ，３２−２Ｂ 流路交差点
【技術分野】
【０００１】
本発明は遺伝子解析などの化学／生化学分析などに広く使用されるマイクロ流体制御機構付マイクロ流体チップに関する。更に詳細には、本発明は極微量の試料を定量採取することができる流体制御機構を有するマイクロ流体チップに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、マイクロスケール・トータル・アナリシス・システムズ（μＴＡＳ）又はラブ・オン・チップ(Lab-on-Chip)などの名称で知られるように、基板内にマイクロチャネルや反応容器及びポートなどの微細構造を設け、該微細構造内で物質の化学反応、合成、精製、抽出、生成及び／又は分析など各種の操作を行うように構成されたマイクロデバイスが提案され、一部実用化されている。このような目的のために製作された、基板内にマイクロチャネル、ポート及び反応容器などの微細構造を有する構造物は総称して「マイクロ流体チップ」又は単に「マイクロチップ」と呼ばれる。マイクロ流体チップは遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニングなどの化学、生化学、薬学、医学、獣医学分野のみならず、化学工業、環境計測などの幅広い用途に使用できる。常用サイズの同種の装置に比べて、マイクロチップは(1)サンプル及び試薬の使用量が著しく少ない、(2)分析時間が短い、(3)感度が高い、(4)現場に携帯し、その場で分析できる、及び(5)使い捨てできるなどの利点を有する。
【０００３】
従来のマイクロ流体チップ１００は、例えば、図１２Ａ及びＢに示されるように、第１の基板１０１に少なくとも１本のマイクロチャネル１０２が形成されており、このマイクロチャネル１０２の少なくとも一端には入出力ポート１０３，１０４が形成されており、基板１０１の下面側に対面基板１０５が接着されている。この対面基板１０５の存在により、ポート１０３，１０４及びマイクロチャネル１０２の底部が封止される。入出力ポート１０３，１０４の主な用途は、(a)試薬や検体サンプルの注入（分注）、(b)廃液や生成物の取り出し、(c)気体圧力の供給（主に、送液のための正圧や負圧の印加）、(d)大気開放（送液時に発生する内圧の分散や、反応で生じたガスの解放）及び(e)密閉（液体の蒸発防止や故意に内圧を発生させる目的のため）などである。
【０００４】
マイクロ流体チップ１００を実際に使用する場合に問題となるのは、分析のために必要な試料を一定量秤取することである。このため、このようなマイクロ流体チップには連続的な液体の流れや、微小液滴の移送を制御する目的で、マイクロチャネルの途中にマイクロポンプ及び／又はマイクロバルブが配設されることがある。このようなマイクロポンプ及び／又はマイクロバルブは例えば、特許文献１及び特許文献２に記載されている。
【０００５】
特許文献１の図１に記載されているマイクロバルブは、太い第１の導管と、この第１の導管より細径に形成されると共に、一方の端部が第１の導管と連通するように連接された複数本の細管と、この細管より大径に形成されると共に、細管の他方の端部と連通するように連接された第２の導管を有し、細管の内壁面は疎水性に形成されていることからなる。このマイクロバルブによれば、第１の導管内に液体を導入した際に、この液体を境界とした第１の導管側の圧力と第２の導管側の圧力との圧力差に応じて第１の導管内の液体に位置を任意に制御することができる。しかし、特許文献１のマイクロバルブでは、複数本の細管を形成するのが非常に困難であるばかりか、圧力差が大きすぎると細管が破損される危険性がある。また、この細管部分だけを特異的に疎水性にする処理も非常に困難である。更に、特許文献１のマイクロバルブの細管は、ポンプを使用しなければ圧力差を発生させることができない。
【０００６】
特許文献２の図３に記載されているマイクロバルブは、２つのポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）マイクロ流路チップと１枚のメンブレンからなり、バルブ領域において変位するメンブレンが弁座に離着して作動流体通路を開閉する弁機構を有する。更に、このマイクロバルブでは、バルブ領域において駆動流体の圧力が作用する圧力室を有する駆動流体通路が前記メンブレンに接着して形成されており、圧力室に駆動流体の圧力を給排することによってメンブレンを変位させて弁座と離着させて一方弁として開閉するように構成されている。しかし、特許文献２に記載されているマイクロバルブは、便座に離着するメンブランが圧力室に向かって片方向に変位するだけなので、バルブ開時のメンブランと弁座との隙間が不十分であり、流体の流動性が低く脈流が発生する原因となっていた。また、駆動流体の圧力はガラスパイプを介して真空ポンプから供給されるので、装置全体が複雑かつ高価となる。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２７８１３号公報
【特許文献２】特許第３４１８７２７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、本発明の目的は特別なポンプやバルブを必要とせずに、極微量の液体を送液又は秤取することができるマイクロ流体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】
前記課題を解決するための請求項１の手段は、対面基板と、第１の基板と、薄膜と、第２の基板との４層構造からなり、
前記第１の基板は、前記対面基板接合面側に、少なくとも１本の空気通路と、この通路の両端に配設された第１の貫通孔と第２の貫通孔とを有し、
前記薄膜は前記第１の基板の各貫通孔の開口部を密閉すると共に、前記空気通路及び各貫通孔内が真空状態に保たれることにより、前記各貫通孔内に凹陥してそれぞれ対応する第１の凹陥部及び第２の凹陥部を形成しており、
前記第２の基板は、前記薄膜接合面側に少なくとも１本の微細流路を有し、該微細流路の一端には、この微細流路に連通する大気に向かって開放したポートが配設されており、該微細流路の他端は、前記第２の凹陥部の上面に配置されていることを特徴とするマイクロ流体チップである。
【００１０】
前記のような構成を採用することにより、第１の凹陥部の外部から針などを穿刺して“真空破り”すると、空気通路及び各貫通孔内が大気圧に戻るときに、凹陥していた薄膜が復元し、その際急激な圧力変化が生じるので、この圧力変化を利用することにより、従来のポンプと同じ作用を発揮させることができる。
【００１１】
前記課題を解決するための請求項２の手段は、請求項１記載のマイクロ流体チップにおいて、前記対面基板がガラスからなり、前記第１の基板、薄膜及び第２の基板が何れも、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）からなることを特徴とするマイクロ流体チップである。
【００１２】
請求項２のマイクロ流体チップによれば、対面基板がガラスであると、第１のＰＤＭＳ基板と自己吸着又は恒久接着することができ、また、ＰＤＭＳ薄膜と各ＰＤＭＳ基板同士も自己吸着又は恒久接着することができるので、高度な封止性が容易に実現できる。
【００１３】
前記課題を解決するための請求項３の手段は、請求項１記載のマイクロ流体チップにおいて、前記少なくとも１本の微細流路に対して、少なくとも１本の微細流路が直交していることを特徴とするマイクロ流体チップである。
【００１４】
請求項３のマイクロ流体チップによれば、一方の微細流路内に液体試料を注入した後、この微細流路に直交する他方の微細流路を前記のように“真空破り”することにより、微細流路の交差点部分の容積に相当する容量の液体試料を秤取することができる。
【００１５】
前記課題を解決するための請求項４の手段は、マイクロ流体チップの製造方法であって、(1)一方の面に空気通路と、この空気通路の一方の端部に第１の貫通孔と他方の端部に第２の貫通孔を有する第１の基板を、前記空気通路形成面側を対面基板に接合するステップと、
(2)前記第１の基板の上面に薄膜を被せて前記第１の基板の前記第１及び第２の貫通孔を封止するステップと、
(3)前記対面基板、第１の基板及び薄膜との３層構造物を真空槽内に入れ、減圧下で第１の基板の封止された空気通路及び各貫通孔内の空気を排気し、前記第１の貫通孔及び第２の貫通孔に対応する位置にそれぞれ第１の凹陥部及び第２の凹陥部を形成するステップと、
(4)一方の面に微細流路を有し、該微細流路の一方の端部には、大気に向かって開放したポートが配設されている第２の基板を、前記微細流路の他端が前記第２の凹陥部の上面に配置されるように、前記薄膜上に接合させるステップを有することを特徴とするマイクロ流体チップの製造方法である。
【００１６】
第１の基板及び／又は薄膜が気体透過性の素材から形成されていれば、密閉された空気通路及び各貫通孔内の空気を排気することができ、これにより、貫通孔部分に凹陥部を形成することができ、露出された凹陥部に針を突き刺して“真空破り”することにより、空気通路及び各貫通孔内が大気圧に戻るときに、凹陥していた薄膜が復元し、その際急激な圧力変化が生じるので、この圧力変化を利用することにより、従来のポンプと同じ作用を発揮させることができる。
【００１７】
前記課題を解決するための請求項５の手段は、請求項４記載のマイクロ流体チップの製造方法において、前記対面基板がガラスからなり、前記第１の基板、薄膜及び第２の基板が何れも、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）からなることを特徴とするマイクロ流体チップである。
【００１８】
請求項５のマイクロ流体チップの製造方法において、第１の基板及び／又は薄膜がＰＤＭＳ製であると、ＰＤＭＳは気体透過性があるので、真空吸引することにより空気通路及び貫通孔内の空気を排気することができ、その結果、凹陥部を形成することができる。また、対面基板がガラスであると、第１のＰＤＭＳ基板と自己吸着又は恒久接着することができ、また、ＰＤＭＳ薄膜と各ＰＤＭＳ基板同士も自己吸着又は恒久接着することができるので、高度な封止性が容易に実現できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のマイクロ流体チップによれば、減圧状態の凹陥部を設け、この凹陥部に外部から針を突き刺して“真空破り”することにより鋭敏な圧力変化を生じさせ、これによりポンプ作用を起こさせることができる。その結果、従来のような機械的又は電気的なマイクロポンプやバルブなどのような煩雑な機能を必要とせずに、簡単な送液及び／又は微量液体秤取が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照しながら本発明のマイクロ流体チップの好ましい実施態様について具体的に例証する。図１Ａは本発明のマイクロ流体チップの一例の概要平面図であり、図１Ｂは、図１ＡにおけるＢ−Ｂ線に沿った概要断面図である。図２は、図１Ｂに示されるマイクロ流体チップ１の使用状態を示す概要断面図である。図３は、図１Ｂに示されるマイクロ流体チップの製造方法の一例を説明する工程図である。図４は、本発明のマイクロ流体チップの別の例の概要平面図である。図５Ａ及び図５Ｂは、図４に示されたマイクロ流体チップの使用方法の一例を示す概念的平面図である。図６は、本発明のマイクロ流体チップの更に別の例の概要平面図である。図７Ａ及び図７Ｂは、図６に示されたマイクロ流体チップの使用方法の一例を示す概念的平面図である。図８は、本発明のマイクロ流体チップの更に他の例の概要平面図である。図９Ａ及び図９Ｂは、図８に示されたマイクロ流体チップの使用方法の一例を示す概念的平面図である。
【００２１】
図１Ａ及び図１Ｂに示されるように、本発明のマイクロ流体チップ１は、対面基板３の上面に、第１のＰＤＭＳ基板５が貼着されており、ＰＤＭＳ薄膜７を介して第２のＰＤＭＳ基板９が積層されている。第１のＰＤＭＳ基板５には、第１の貫通孔１１と第２の貫通孔１３が配設されており、これら貫通孔は空気通路１５によりそれぞれ連通されている。各貫通孔と空気通路内は真空又は減圧状態に維持されているため、上部に貼着されているＰＤＭＳ薄膜７は、貫通孔部分で内部に引き込まれるように凹陥し、第１の凹陥部１７と第２の凹陥部１９を形成している。第２の凹陥部１９には送液すべき液体試料２１が載置されている。ＰＤＭＳは疎水性なので毛細管現象は起きないので、第２の凹陥部１９内に収容されていた液体試料２１は微細流路２３内には流れ出ることなく、第２の凹陥部１９内にそのまま留まる。この第２の凹陥部１９を覆うように第２のＰＤＭＳ基板９が積層されている。第２のＰＤＭＳ基板９には、微細流路２３と、大気に向かって開口したポート２５が配設されている。微細流路２３の一端はポート２５に連通している。微細流路２３の他端は、第２の凹陥部１９を覆い尽くすのに必要十分な面積を有するように拡径された拡大部２７を有する。拡大部２７の大きさは第２の凹陥部１９より小さくてもよい。拡大部２７を設けることの利点は、第２のＰＤＭＳ基板９の位置決めが容易になることである。しかし、微細流路２３の他端に拡大部２７を設けることは本発明の必須要件ではない。微細流路２３の通常の幅及び高さを有する他端を第２の凹陥部１９の上面に配置させるだけでも本発明の作用効果を十分に達成することができる。拡大部２７が第２の凹陥部１９より小さい場合又は拡大部２７を設けない場合、圧力変化が一層シャープになるという利点がある。
【００２２】
図２は、図１Ｂに示されたマイクロ流体チップ１の使用状態を示す概要断面図である。第１の凹陥部１７の外部から針等を突き刺すことにより、各貫通孔及び空気通路内の真空を解除すると、ＰＤＭＳ薄膜７は元のフラットな状態に戻る。その際、第２の凹陥部１９内に収容されていた液体試料２１は微細流路２３内に加圧送液される。このような“真空破り”によれば、圧力変化がシャープになり、特別なポンプを使用しなくても液体を送液することができる。微細流路２３内の液体試料２１はポート２５から取り出すこともできるが、後記するように別の微細流路を経て他のポートから取り出すこともできる。微細流路の他端に拡大部２７を設けず、通常の幅及び高さのままの他端を第２の凹陥部１９の上面に配置して“真空破り”した場合、圧力変化が一層シャープになるという利点が得られる。
【００２３】
次に、図３を参照しながら、図１に示されるマイクロ流体チップの製造方法を説明する。図３（Ａ）に示されるように、対面基板３に第１のＰＤＭＳ基板５を貼着させた部材を準備する。第１のＰＤＭＳ基板５には空気通路１５と第１の貫通孔１１及び第２の貫通孔１３が形成されている。これら空気通路は常用の光リソグラフィー法により形成することができ、光リソグラフィー法自体は当業者に公知であり、特に説明する必要はないであろう。また、各貫通孔は機械的な穴開け又は穿孔手段により形成することができる。各貫通孔の内径は同一であることもできるし、あるいは異なっていてもよい。例えば、第１の貫通孔１１の内径よりも第２の貫通孔１３の内径を大きくすることができる。特に、第２の貫通孔１３の内径は後で載置される液体試料２１の容量などを考慮して適宜決定することができる。例えば、数百μｍ〜数ｍｍ程度である。また、空気通路１５の幅及び高さは適宜選択することができる。一例として、数μｍ〜数百μｍ程度である。第１のＰＤＭＳ基板５の厚さは数百μｍ〜数ｍｍ程度であり、対面基板３の厚さも数百μｍ〜数ｍｍ程度である。対面基板３の素材はガラス、プラスチックなど、第１のＰＤＭＳ基板５と密着することができる素材であれば全て使用することができる。しかし、対面基板３の素材としては、ＰＤＭＳと恒久接着できるガラスが好ましい。
【００２４】
次いで、図３（Ｂ）に示されるように、第１のＰＤＭＳ基板５の上面にＰＤＭＳ薄膜７を貼着する。ＰＤＭＳ同士は恒久接着するという性質がある。恒久接着とは、酸素プラズマなどの雰囲気下で表面改質することにより、接着剤無しでＰＤＭＳ同士を相互に接着することができる性質のことであり、ＰＤＭＳ同士間で優れた接着性又は密着性を発揮させることができる。ＰＤＭＳ薄膜７の膜厚は数μｍ〜数十μｍ程度である。余り薄すぎると、後記の真空吸引工程で破損する危険性があるので好ましくない。一方、余り厚すぎると、真空吸引の妨げとなるばかりか、“真空破り”をしたときの反発力が弱く、圧力変化がシャープにならないという欠点がある。しかし、薄膜７は、柔軟性、伸縮性、疎水性、気体透過性などの特性を有するものであれば、ＰＤＭＳ以外の素材であることもできる。
【００２５】
その後、前記（Ｂ）ステップで得られた部材を真空槽３０内に配置し、真空吸引し、真空槽３０内を減圧状態にする。図３（Ｃ−１）に示されるように、減圧雰囲気中に曝されるため、ＰＤＭＳ薄膜７は最初は膨張する。しかし、ＰＤＭＳは極僅かであるが気体透過性があるので、貫通孔１１及び１３と空気通路１５の密閉空間内の空気はＰＤＭＳ薄膜７を通して除去される。その後、真空槽３０内を真空解除することによって、ＰＤＭＳ薄膜７が凹み、貫通孔１１及び１３と空気通路１５の密閉空間内が減圧状態となる。その結果、図３（Ｃ−２）に示されるように、ＰＤＭＳ薄膜７は貫通孔１１及び１３内に吸い込まれ、第１の凹陥部１７と第２の凹陥部１９がそれぞれ形成される。真空排気時間を調整することにより凹陥部の容積を変化させることができる。凹陥部の最大容積は貫通孔の容積と略同一となる時点である。
【００２６】
次いで、真空槽３０から、凹陥部の形成された部材を取り出す。取り出した後、第２の凹陥部１９内に所定容量の液体試料２１を注入し、図３（Ｄ）に示されるような部材を形成する。液体試料２１の注入容量は後の工程で積重される第２のＰＤＭＳ基板９の微細流路２３及びポート２５の容積を勘案して決定することが好ましい。
【００２７】
その後、図３（Ｅ）に示されるように、第２の凹陥部１９を覆うように第２のＰＤＭＳ基板９を積層させる。斯くして、図１に示される本発明のマイクロ流体チップ１が得られる。第１のＰＤＭＳ基板５と同様に、第２のＰＤＭＳ基板９もＰＤＭＳ薄膜７と恒久接着することができる。第２のＰＤＭＳ基板９の微細流路２３及びポート２５は、第１のＰＤＭＳ基板５の空気通路１５及び貫通孔１１，１３と同様な光リソグラフィー法により形成することができる。第２のＰＤＭＳ基板９の厚さは数百μｍ〜数ｍｍ程度である。第２のＰＤＭＳ基板９の微細流路２３の幅及び高さは数十μｍ〜数百μｍ程度であり、ポート２５の内径は数百μｍ〜数ｍｍ程度である。微細流路２３及びポート２５のサイズは第２の凹陥部１９に注入される液体試料２１の容量を考慮して決定することができる。第２の基板９はＰＤＭＳ以外の他のプラスチック又はガラス、セラミックなどから形成することもできる。
【００２８】
図４は、本発明のマイクロ流体チップの別の例の概要平面図である。図４に示されるマイクロ流体チップ１Ａでは、微細流路が２本直交するように配設され、微細流路の交差点部分の容積に相当する容積の液体試料を定量採取することができる。
図４のマイクロ流体チップ１Ａは、基本的に図１Ｂに示された４層構造と同様な断面構造を有する。マイクロ流体チップ１Ａは、具体的には、空気通路１５Ａで連通された第１の凹陥部１７Ａと第２の凹陥部１９Ａを有し、かつ、第１の微細流路２３Ａを有し、第１の微細流路２３Ａの一端には大気に向かって開口した第１のポート２５Ａが配設され、第１の微細流路２３Ａの他端は、第２の凹陥部１９Ａを覆い尽くすのに必要十分な面積を有するように拡径された第１の拡大部２７Ａが配設されている。第２の凹陥部１９Ａには送液すべき液体試料２１が載置されている。更に、空気通路１５Ｂで連通された第３の凹陥部１７Ｂと第４の凹陥部１９Ｂを有し、かつ、第２の微細流路２３Ｂを有し、第２の微細流路２３Ｂの一端には大気に向かって開口した第２のポート２５Ｂが配設され、第２の微細流路２３Ｂの他端は、第４の凹陥部１９Ｂを覆い尽くすのに必要十分な面積を有するように拡径された第２の拡大部２７Ｂが配設されている。しかし、第４の凹陥部１９Ｂ内には何も注入されていないブランクのままである。第１の微細流路２３Ａと第２の微細流路２５Ｂとは同一平面内で直角に交差しており、交差点３２で相互に連通している。
【００２９】
図５Ａ及び図５Ｂは、図４に示されたマイクロ流体チップの使用方法の一例を示す概念的平面図である。図５Ａにおいて、第１の凹陥部１７Ａの外部から針等を突き刺すことにより真空を解除すると、第１の凹陥部１７Ａ及び第２の凹陥部１９Ａに対応する部分のＰＤＭＳ薄膜７は元のフラットな状態に戻る。その際、第１の拡大部２７Ａ内の圧力が急激に高まり、第２の凹陥部１９Ａ内に収容されていた液体試料２１は第１の微細流路２３Ａ内に加圧送液される。次いで、図５Ｂにおいて、第３の凹陥部１７Ｂの外部から針等を突き刺すことにより真空を解除すると、第３の凹陥部１７Ｂ及び第４の凹陥部１９Ｂに対応する部分のＰＤＭＳ薄膜７は元のフラットな状態に戻る。その際、第２の拡大部２７Ｂ内の圧力が急激に高まり、圧力は第２のポート２５Ｂに向かって伝播するので、第１の微細流路２３Ａと第２の微細流路２３Ｂとの交差点３２部分の液体試料２１が、第２の微細流路２３Ｂを介して第２のポート２５Ｂに加圧送液される。斯くして、第１の微細流路２３Ａと第２の微細流路２３Ｂとの交差点３２部分の容積に対応する極微量容量の液体試料２１を正確に秤取し、第２のポート２５Ｂから取り出すことができる。
【００３０】
図６は、本発明のマイクロ流体チップの更に別の例の概要平面図である。図６に示されるマイクロ流体チップ１Ｂでは、第１の微細流路に対して複数本の微細流路が直交するように配設されている。その結果、交差点部分も複数個形成されるため、微細流路の各交差点部分の容積に相当する容積の液体試料を複数個定量採取することができる。
図６のマイクロ流体チップ１Ｂは、基本的に図１Ｂに示された４層構造と同様な断面構造を有する。マイクロ流体チップ１Ｂは、具体的には、空気通路１５Ａで連通された第１の凹陥部１７Ａと第２の凹陥部１９Ａを有し、かつ、第１の微細流路２３Ａを有し、第１の微細流路２３Ａの一端には大気に向かって開口した第１のポート２５Ａが配設され、第１の微細流路２３Ａの他端は、第２の凹陥部１９Ａを覆い尽くすのに必要十分な面積を有するように拡径された第１の拡大部２７Ａが配設されている。第２の凹陥部１９Ａには送液すべき液体試料２１が載置されている。更に、空気通路１５Ｂで連通された第３の凹陥部１７Ｂと第４の凹陥部１９Ｂを有し、かつ、第２の微細流路２３Ｂを有し、第２の微細流路２３Ｂの一端には大気に向かって開口した第２のポート２５Ｂが配設され、第２の微細流路２３Ｂの他端は、第４の凹陥部１９Ｂを覆い尽くすのに必要十分な面積を有するように拡径された第２の拡大部２７Ｂが配設されている。しかし、第４の凹陥部１９Ｂ内には何も注入されていないブランクのままである。第１の微細流路２３Ａと第２の微細流路２３Ｂとは同一平面内で直角に交差しており、交差点３２−１で相互に連通している。１５Ｂ〜２７Ｂの各部材と並列に、１５Ｃ〜２７Ｃの各部材が配列されている。即ち、空気通路１５Ｃで連通された第５の凹陥部１７Ｃと第６の凹陥部１９Ｃを有し、かつ、第３の微細流路２３Ｃを有し、第３の微細流路２３Ｃの一端には大気に向かって開口した第３のポート２５Ｃが配設され、第３の微細流路２３Ｃの他端は、第６の凹陥部１９Ｃを覆い尽くすのに必要十分な面積を有するように拡径された第３の拡大部２７Ｃが配設されている。しかし、第６の凹陥部１９Ｃ内には何も注入されていないブランクのままである。第１の微細流路２３Ａと第３の微細流路２３Ｃとは同一平面内で直角に交差しており、交差点３２−２で相互に連通している。
【００３１】
図５Ａ及び図５Ｂに関連して説明した態様と同様に、図７Ａにおいて、第１の凹陥部１７Ａの外部から針等を突き刺すことにより真空を解除すると、第１の凹陥部１７Ａ及び第２の凹陥部１９Ａに対応する部分のＰＤＭＳ薄膜７は元のフラットな状態に戻る。その際、第１の拡大部２７Ａ内の圧力が急激に高まり、第２の凹陥部１９Ａ内に収容されていた液体試料２１は第１の微細流路２３Ａ内に加圧送液される。次いで、図７Ｂにおいて、第３の凹陥部１７Ｂ及び第５の凹陥部１７Ｃの外部から針等を突き刺すことにより真空を解除すると、第３の凹陥部１７Ｂ及び第４の凹陥部１９Ｂと第５の凹陥部１７Ｃ及び第６の凹陥部１９Ｃに対応する部分のＰＤＭＳ薄膜７は元のフラットな状態に戻る。その際、第２の拡大部２７Ｂ及び第３の拡大部２７Ｃ内の圧力が急激に高まり、圧力は第２のポート２５Ｂ及び第３のポート２５Ｃに向かって伝播するので、第１の微細流路２３Ａと第２の微細流路２３Ｂとの交差点３２−１部分及び第１の微細流路２３Ａと第３の微細流路２３Ｃとの交差点３２−２部分の液体試料２１が、第２の微細流路２３Ｂ及び第３の微細流路２３Ｃを介して第２のポート２５Ｂ及び第３のポート２５Ｃに加圧送液される。斯くして、第１の微細流路２３Ａと第２の微細流路２３Ｂとの交差点３２−１部分及び第１の微細流路２３Ａと第３の微細流路２３Ｃとの交差点３２−２部分の容積に対応する極微量容量の液体試料２１を正確に秤取し、第２のポート２５Ｂ及び第３のポート２５Ｃから取り出すことができる。液体試料を供給する微細流路２３Ａに対して直交する試料採取用の微細流路２３Ｂ〜２３Ｃの本数を増やすことにより更に多くの試料を個別的に定量秤取することができる。
【００３２】
図８は、本発明のマイクロ流体チップの更に他の例の概要平面図である。図８に示されるマイクロ流体チップ１Ｃでは、液体試料供給用の第１の微細流路及び第２の微細流路に対して複数本の液体試料秤取用の微細流路が直交するように配設されている。その結果、交差点部分も複数個形成されるため、微細流路の各交差点部分の容積に相当する容積の液体試料を混合状態で複数個定量採取することができる。
図８のマイクロ流体チップ１Ｃは、基本的に図１Ｂに示された４層構造と同様な断面構造を有する。マイクロ流体チップ１Ｃは、具体的には、空気通路１５Ａで連通された第１の凹陥部１７Ａと第２の凹陥部１９Ａを有し、かつ、第１の微細流路２３Ａを有し、第１の微細流路２３Ａの一端には大気に向かって開口した第１のポート２５Ａが配設され、第１の微細流路２３Ａの他端は、第２の凹陥部１９Ａを覆い尽くすのに必要十分な面積を有するように拡径された第１の拡大部２７Ａが配設されている。第２の凹陥部１９Ａには送液すべき第１の液体試料２１Ａが載置されている。更に、空気通路１５Ａと平行に、空気通路１５Ｂで連通された第３の凹陥部１７Ｂと第４の凹陥部１９Ｂを有し、かつ、第２の微細流路２３Ｂを有し、第２の微細流路２３Ｂの一端には大気に向かって開口した第２のポート２５Ｂが配設され、第２の微細流路２３Ｂの他端は、第４の凹陥部１９Ｂを覆い尽くすのに必要十分な面積を有するように拡径された第２の拡大部２７Ｂが配設されている。第４の凹陥部１９Ｂには送液すべき第２の液体試料２１Ｂが載置されている。第１の微細流路２３Ａ及び第２の微細流路２３Ｂと直交するように、第３の微細流路２３Ｃ及び第４の微細流路２３Ｄが配設されている。即ち、第３の微細流路２３Ｃは第１の微細流路２３Ａと交差点３２−１Ａで交差し、第２の微細流路２３Ｂと交差点３２−１Ｂで交差する。同様に、第４の微細流路２３Ｄは第１の微細流路２３Ａと交差点３２−２Ａで交差し、第２の微細流路２３Ｂと交差点３２−２Ｂで交差する。第３の微細流路２３Ｃの一端には大気に向かって開口した第３のポート２５Ｃが配設され、他端には、第３の拡大部２７Ｃが配設されている。第３の拡大部２７Ｃの下部にはこの拡大部の径よりも小さな径の第６の凹陥部１９Ｃが存在し、この第６の凹陥部１９Ｃは第３の空気通路１５Ｃにより連通される第５の凹陥部１７Ｃが配設されている。同様に、第４の微細流路２３Ｄの一端には大気に向かって開口した第４のポート２５Ｄが配設され、他端には、第４の拡大部２７Ｄが配設されている。第４の拡大部２７Ｄの下部にはこの拡大部の径よりも小さな径の第８の凹陥部１９Ｄが存在し、この第８の凹陥部１９Ｄは第４の空気通路１５Ｄにより連通される第７の凹陥部１７Ｄが配設されている。第６の凹陥部１９Ｃ及び第８の凹陥部１９Ｄ内には何も注入されていないブランクのままである。
【００３３】
図５Ａ及び図５Ｂに関連して説明した態様と同様に、図９Ａにおいて、第１の凹陥部１７Ａの外部から針等を突き刺すことにより真空を解除すると、第１の凹陥部１７Ａ及び第２の凹陥部１９Ａに対応する部分のＰＤＭＳ薄膜７は元のフラットな状態に戻る。その際、第１の拡大部２７Ａ内の圧力が急激に高まり、第２の凹陥部１９Ａ内に収容されていた第１の液体試料２１Ａは第１の微細流路２３Ａ内に加圧送液される。同様に、第３の凹陥部１７Ｂの外部から針等を突き刺すことにより真空を解除すると、第３の凹陥部１７Ｂ及び第４の凹陥部１９Ｂに対応する部分のＰＤＭＳ薄膜７は元のフラットな状態に戻る。その際、第２の拡大部２７Ｂ内の圧力が急激に高まり、第４の凹陥部１９Ｂ内に収容されていた第２の液体試料２１Ｂは第２の微細流路２３Ｂ内に加圧送液される。次いで、図９Ｂにおいて、第５の凹陥部１７Ｃの外部から針等を突き刺すことにより真空を解除すると、第５の凹陥部１７Ｃ及び第６の凹陥部１９Ｃに対応する部分のＰＤＭＳ薄膜７は元のフラットな状態に戻る。その際、第３の拡大部２７Ｃ内の圧力が急激に高まり、圧力は第３のポート２５Ｃに向かって伝播するので、第１の微細流路２３Ａとの交差点３２−１Ａ部分の第１の液体試料２１Ａと、第２の微細流路２３Ｂとの交差点３２−１Ｂ部分の第２の液体試料２１Ｂが、第３の微細流路２３Ｃを介して第３のポート２５Ｃに混合状態で加圧送液される。斯くして、第１の微細流路２３Ａの交差点３２−１Ａ部分と第２の微細流路２３Ｂの交差点３２−１Ｂ部分の容積に対応する極微量容量の第１の液体試料２１Ａと第２の液体試料２１Ｂを正確に秤取し、均一に混合された状態で第３のポート２５Ｃから取り出すことができる。第７の凹陥部１７Ｄに対しても前記と同様に穿刺処理すると、前記と同様に、第１の微細流路２３Ａの交差点３２−２Ａ部分と第２の微細流路２３Ｂの交差点３２−２Ｂ部分の容積に対応する極微量容量の第１の液体試料２１Ａと第２の液体試料２１Ｂを正確に秤取し、均一に混合された状態で第４のポート２５Ｄから取り出すことができる。
【００３４】
図１０は、本発明のマイクロ流体チップの更に他の例の概要平面図である。図１０に示されるマイクロ流体チップ１Ｄでは、第１の微細流路の両端に大気に向かって開放したポートが形成されているので、一方のポートから他方のポートに向かって液体試料を注入することにより第１の微細流路内に液体試料を満たすことができる。更に、この第１の微細流路に対して複数本の微細流路が直交するように配設されている。その結果、交差点部分も複数個形成されるため、微細流路の各交差点部分の容積に相当する容積の液体試料を複数個定量採取することができる。
図１０のマイクロ流体チップ１Ｄは、基本的に図１Ｂに示された４層構造と同様な断面構造を有する。マイクロ流体チップ１Ｄは、具体的には、大気に向かって開放した第１のポート２５Ａと第５のポート２５Ｅが各端部に配設された第１の微細流路２３Ａを有する。更に、空気通路１５Ｂで連通された第３の凹陥部１７Ｂと第４の凹陥部１９Ｂを有し、かつ、第２の微細流路２３Ｂを有し、第２の微細流路２３Ｂの一端には大気に向かって開口した第２のポート２５Ｂが配設され、第２の微細流路２３Ｂの他端は、第４の凹陥部１９Ｂを覆い尽くすのに必要十分な面積を有するように拡径された第２の拡大部２７Ｂが配設されている。しかし、第４の凹陥部１９Ｂ内には何も注入されていないブランクのままである。第１の微細流路２３Ａと第２の微細流路２３Ｂとは同一平面内で直角に交差しており、交差点３２−１で相互に連通している。１５Ｂ〜２７Ｂの各部材と並列に、１５Ｃ〜２７Ｃの各部材が配列されている。即ち、空気通路１５Ｃで連通された第５の凹陥部１７Ｃと第６の凹陥部１９Ｃを有し、かつ、第３の微細流路２３Ｃを有し、第３の微細流路２３Ｃの一端には大気に向かって開口した第３のポート２５Ｃが配設され、第３の微細流路２３Ｃの他端は、第６の凹陥部１９Ｃを覆い尽くすのに必要十分な面積を有するように拡径された第３の拡大部２７Ｃが配設されている。しかし、第６の凹陥部１９Ｃ内には何も注入されていないブランクのままである。第１の微細流路２３Ａと第３の微細流路２３Ｃとは同一平面内で直角に交差しており、交差点３２−２で相互に連通している。
【００３５】
図１１Ａにおいて、第１のポート２５Ａから第５のポート２５Ｅに向けて液体試料２１を注入することにより第１の微細流路２３Ａ内に液体試料２１を満たすことができる。液体試料２１の注入は例えば、第１のポート２５Ａにチューブ（図示されていない）を接続し、チューブの他端にシリンジ（図示されていない）を接続し、このシリンジから液体試料２１を送液することにより行うことができる。この実施態様のマイクロ流体チップでは、図４、図６又は図８などに示された実施態様のマイクロ流体チップに比べて、液体試料２１の供給が容易になるという利点がある。
【００３６】
次いで、図１１Ｂにおいて、第３の凹陥部１７Ｂ及び第５の凹陥部１７Ｃの外部から針等を突き刺すことにより真空を解除すると、第３の凹陥部１７Ｂ及び第４の凹陥部１９Ｂと第５の凹陥部１７Ｃ及び第６の凹陥部１９Ｃに対応する部分のＰＤＭＳ薄膜７は元のフラットな状態に戻る。その際、第２の拡大部２７Ｂ及び第３の拡大部２７Ｃ内の圧力が急激に高まり、圧力は第２のポート２５Ｂ及び第３のポート２５Ｃに向かって伝播するので、第１の微細流路２３Ａと第２の微細流路２３Ｂとの交差点３２−１部分及び第１の微細流路２３Ａと第３の微細流路２３Ｃとの交差点３２−２部分の液体試料２１が、第２の微細流路２３Ｂ及び第３の微細流路２３Ｃを介して第２のポート２５Ｂ及び第３のポート２５Ｃに加圧送液される。斯くして、第１の微細流路２３Ａと第２の微細流路２３Ｂとの交差点３２−１部分及び第１の微細流路２３Ａと第３の微細流路２３Ｃとの交差点３２−２部分の容積に対応する極微量容量の液体試料２１を正確に秤取し、第２のポート２５Ｂ及び第３のポート２５Ｃから取り出すことができる。液体試料を供給する微細流路２３Ａに対して直交する試料採取用の微細流路２３Ｂ〜２３Ｃの本数を増やすことにより更に多くの試料を個別的に定量秤取することができる。
【００３７】
液体試料を供給するための、両端にオープンポートを有する微細流路は１本に限らず、２本以上配設することもできる。この場合、図８の実施態様のマイクロ流体チップと同様に、複数種類の液体試料を定量混合して秤取することができる。
【実施例】
【００３８】
本発明の四層構造のマイクロ流体デバイスを作製した。対面基板３には厚さ１ｍｍの白ガラスを使用し、第１のＰＤＭＳ基板５には厚さ２ｍｍのシリコーンゴムを使用し、ＰＤＭＳ薄膜７には、厚さ４０μｍのシリコーンゴムを使用し、第２のＰＤＭＳ基板９には厚さ２ｍｍのシリコーンゴムを使用した。第１のＰＤＭＳ基板５に配設されている空気通路１５の幅は２００μｍ、深さは１００μｍ、長さは２０ｍｍであり、第１の貫通孔１１及び第２の貫通孔１３の内径はそれぞれφ４ｍｍであった。第２のＰＤＭＳ基板９に配設されている微細流路２３の幅は２００μｍ、深さは２００μｍ、長さは２０ｍｍであり、微細流路２３の一端に設けられている拡大部２７の直径はφ２ｍｍであり、微細流路２３の他端に設けられているポート２５の内径はφ２ｍｍであった。
空気通路１５の形成において、ウエハに厚膜レジストをフォトリソグラフィー法によりパターニング（露光、現像）することで、シリコーンゴムモールド用鋳型として使用した。シリコーンゴムモールド前に、鋳型に離型膜として２０ｎｍのＣＨＦ３膜を形成させた後、シリコーンゴムをモールドし、脱気した。その後、１００℃で４時間加温することでシリコーンゴムを重合させた。その後、鋳型から引き剥がし、空気通路５を有する第１のＰＤＭＳ基板５を形成し、次いで、この第１のＰＤＭＳ基板５を白ガラスからなる対面基板３に恒久接着させ、その後、第１のＰＤＭＳ基板５に第１の貫通孔１１及び第２の貫通孔１３を機械的に穿設した。その後、予め形成しておいたＰＤＭＳ薄膜７を第１のＰＤＭＳ基板５の上面に自己吸着させた。
次いで、前記のようにして得られた三層構造物を真空槽内に収容し、真空槽を密閉した後、真空ポンプにより真空槽内の空気を排気し、真空槽内の圧力を０．１ＭＰａにまで減圧し、この圧力を２０分間維持した。その結果、第１の貫通孔１１及び第２の貫通孔１３の位置にそれぞれ対応する第１の凹陥部１７及び第２の凹陥部１９が形成された。その後、真空槽内の圧力を大気圧にまで戻した後、凹陥部が形成された三層構造物を真空槽から取り出した。
第２の凹陥部１９内に、液体試料２１として着色インクを５μＬ注入した後、拡大部２７で第２の凹陥部１９を覆うように、第２のＰＤＭＳ基板９をＰＤＭＳ薄膜７の上面に自己吸着させた。第２のＰＤＭＳ基板９における微細流路２３、拡大部２７及びポート２５の形成は、第１のＰＤＭＳ基板５における空気通路１５及び貫通孔１１，１３の形成方法と同様な方法により行った。
前記のようにして得られた四層構造のマイクロ流体チップ１において、第１の凹陥部１７の外面側から針を突き刺し、真空を破った。すると、ＰＤＭＳ薄膜７が復元し、第１の凹陥部１７及び第２の凹陥部１９が消失してフラットになると共に、第２の凹陥部１９内の着色インク２１が微細流路２３を介してポート２５にまで送液された。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
以上、本発明の好ましい実施態様について説明してきたが、本発明は図示された実施態様のみに限定されない。例えば、本発明の真空凹陥部の真空破りによる送液機構はマイクロ流体チップだけでなく、様々な分野における微量流体制御機構においても同等に使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１Ａ】本発明のマイクロ流体チップの一例の概要平面図である。
【図１Ｂ】図１ＡにおけるＢ−Ｂ線に沿った概要断面図である。
【図２】図１Ｂに示されるマイクロ流体チップ１の使用状態を示す概要断面図である。
【図３】図１Ｂに示されるマイクロ流体チップの製造方法の一例を説明する工程図である。
【図４】本発明のマイクロ流体チップの別の例の概要平面図である。
【図５Ａ】図４に示されたマイクロ流体チップの使用方法の一例を示す概念的平面図である。
【図５Ｂ】図４に示されたマイクロ流体チップの使用方法の一例を示す概念的平面図である。
【図６】本発明のマイクロ流体チップの更に別の例の概要平面図である。
【図７Ａ】図６に示されたマイクロ流体チップの使用方法の一例を示す概念的平面図である。
【図７Ｂ】図６に示されたマイクロ流体チップの使用方法の一例を示す概念的平面図である。
【図８】本発明のマイクロ流体チップの更に他の例の概要平面図である。
【図９Ａ】図８に示されたマイクロ流体チップの使用方法の一例を示す概念的平面図である。
【図９Ｂ】図８に示されたマイクロ流体チップの使用方法の一例を示す概念的平面図である。
【図１０】本発明のマイクロ流体チップの更に他の例の概要平面図である。
【図１１Ａ】図１０に示されたマイクロ流体チップの使用方法の一例を示す概念的平面図である。
【図１１Ｂ】図１０に示されたマイクロ流体チップの使用方法の一例を示す概念的平面図である。
【図１２】（Ａ）は従来のマイクロ流体チップの一例の概要平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った概要断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 本発明のマイクロ流体チップ
３ 対面基板
５ 第１のＰＤＭＳ基板
７ ＰＤＭＳ薄膜
９ 第２のＰＤＭＳ基板
１１ 第１の貫通孔
１３ 第２の貫通孔
１５ 空気通路
１５Ａ 第１の空気通路
１５Ｂ 第２の空気通路
１５Ｃ 第３の空気通路
１５Ｄ 第４の空気通路
１７，１７Ａ 第１の凹陥部
１９，１９Ａ 第２の凹陥部
１７Ｂ 第３の凹陥部
１７Ｃ 第５の凹陥部
１７Ｄ 第７の凹陥部
１９Ｂ 第４の凹陥部
１９Ｃ 第６の凹陥部
１９Ｄ 第８の凹陥部
２１，２１Ａ，２１Ｂ 液体試料
２３ 微細流路
２３Ａ 第１の微細流路
２３Ｂ 第２の微細流路
２３Ｃ 第３の微細流路
２３Ｄ 第４の微細流路
２５Ａ 第１のポート
２５Ｂ 第２のポート
２５Ｃ 第３のポート
２５Ｄ 第４のポート
２５Ｅ 第５のポート
２７ 拡大部
２７Ａ 第１の拡大部
２７Ｂ 第２の拡大部
２７Ｃ 第３の拡大部
２７Ｄ 第４の拡大部
３０ 真空槽
３２，３２−１，３２−２，３２−１Ａ，３２−１Ｂ，３２−２Ａ，３２−２Ｂ 流路交差点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対面基板と、第１の基板と、薄膜と、第２の基板との少なくとも４層構造からなり、
前記第１の基板は、前記対面基板接合面側に、少なくとも１本の空気通路と、この通路の両端に配設された第１の貫通孔と第２の貫通孔とを有し、
前記薄膜は前記第１の基板の各貫通孔の開口部を密閉すると共に、前記空気通路及び各貫通孔内が真空状態に保たれることにより、前記各貫通孔内に凹陥してそれぞれ対応する第１の凹陥部及び第２の凹陥部を形成しており、
前記第２の基板は、前記薄膜接合面側に少なくとも１本の微細流路を有し、該微細流路の一端には、この微細流路に連通する大気に向かって開放したポートが配設されており、該微細流路の他端は、前記第２の凹陥部の上面に配置されていることを特徴とするマイクロ流体チップ。
【請求項２】
前記対面基板がガラスからなり、前記第１の基板、薄膜及び第２の基板が何れも、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）からなることを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体チップ。
【請求項３】
前記少なくとも１本の微細流路に対して、少なくとも１本の微細流路が直交していることを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体チップ。
【請求項４】
マイクロ流体チップの製造方法であって、
(1)一方の面に空気通路と、この空気通路の一方の端部に第１の貫通孔と他方の端部に第２の貫通孔を有する第１の基板を、前記空気通路形成面側を対面基板に接合するステップと、
(2)前記第１の基板の上面に薄膜を被せて前記第１の基板の前記第１及び第２の貫通孔を封止するステップと、
(3)前記対面基板、第１の基板及び薄膜との３層構造物を真空槽内に入れ、減圧下で第１の基板の封止された空気通路及び各貫通孔内の空気を排気し、前記第１の貫通孔及び第２の貫通孔に対応する位置にそれぞれ第１の凹陥部及び第２の凹陥部を形成するステップと、
(4)一方の面に微細流路を有し、該微細流路の一方の端部には、大気に向かって開放したポートが配設されている第２の基板を、前記微細流路の他端が前記第２の凹陥部の上面に配置されるように、前記薄膜上に接合させるステップを有することを特徴とするマイクロ流体チップの製造方法。
【請求項５】
前記対面基板がガラスからなり、前記第１の基板、薄膜及び第２の基板が何れも、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）からなることを特徴とする請求項４記載のマイクロ流体チップの製造方法。
【請求項１】
対面基板と、第１の基板と、薄膜と、第２の基板との少なくとも４層構造からなり、
前記第１の基板は、前記対面基板接合面側に、少なくとも１本の空気通路と、この通路の両端に配設された第１の貫通孔と第２の貫通孔とを有し、
前記薄膜は前記第１の基板の各貫通孔の開口部を密閉すると共に、前記空気通路及び各貫通孔内が真空状態に保たれることにより、前記各貫通孔内に凹陥してそれぞれ対応する第１の凹陥部及び第２の凹陥部を形成しており、
前記第２の基板は、前記薄膜接合面側に少なくとも１本の微細流路を有し、該微細流路の一端には、この微細流路に連通する大気に向かって開放したポートが配設されており、該微細流路の他端は、前記第２の凹陥部の上面に配置されていることを特徴とするマイクロ流体チップ。
【請求項２】
前記対面基板がガラスからなり、前記第１の基板、薄膜及び第２の基板が何れも、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）からなることを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体チップ。
【請求項３】
前記少なくとも１本の微細流路に対して、少なくとも１本の微細流路が直交していることを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体チップ。
【請求項４】
マイクロ流体チップの製造方法であって、
(1)一方の面に空気通路と、この空気通路の一方の端部に第１の貫通孔と他方の端部に第２の貫通孔を有する第１の基板を、前記空気通路形成面側を対面基板に接合するステップと、
(2)前記第１の基板の上面に薄膜を被せて前記第１の基板の前記第１及び第２の貫通孔を封止するステップと、
(3)前記対面基板、第１の基板及び薄膜との３層構造物を真空槽内に入れ、減圧下で第１の基板の封止された空気通路及び各貫通孔内の空気を排気し、前記第１の貫通孔及び第２の貫通孔に対応する位置にそれぞれ第１の凹陥部及び第２の凹陥部を形成するステップと、
(4)一方の面に微細流路を有し、該微細流路の一方の端部には、大気に向かって開放したポートが配設されている第２の基板を、前記微細流路の他端が前記第２の凹陥部の上面に配置されるように、前記薄膜上に接合させるステップを有することを特徴とするマイクロ流体チップの製造方法。
【請求項５】
前記対面基板がガラスからなり、前記第１の基板、薄膜及び第２の基板が何れも、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）からなることを特徴とする請求項４記載のマイクロ流体チップの製造方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２】
【公開番号】特開２００６−５３０６４（Ｐ２００６−５３０６４Ａ）
【公開日】平成１８年２月２３日（２００６．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２３５２４４（Ｐ２００４−２３５２４４）
【出願日】平成１６年８月１２日（２００４．８．１２）
【出願人】（００００００５２７）ペンタックス株式会社 (1,878)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月２３日（２００６．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月１２日（２００４．８．１２）
【出願人】（００００００５２７）ペンタックス株式会社 (1,878)
【Ｆターム（参考）】
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