化学分析チップ
【課題】本発明は、試料液の脈動を抑制し、精度の高い検査結果を示すことのできる化学分析チップを提供する。
【解決手段】本発明は、試料液を移送するポンプ手段３３０と、試料液を流通する流路３４０と、試料液を検査する検査手段３５０とを備える化学分析チップ３００であって、ポンプ手段３３０は、薄膜の圧電素子とその圧電素子を支持する支持部材とを備える構造体と、その構造体を挟む第１及び第２の基板とを含有し、第２の基板と上記構造体とによって囲まれたポンプ室を有する化学分析チップ３００を提供する。
【解決手段】本発明は、試料液を移送するポンプ手段３３０と、試料液を流通する流路３４０と、試料液を検査する検査手段３５０とを備える化学分析チップ３００であって、ポンプ手段３３０は、薄膜の圧電素子とその圧電素子を支持する支持部材とを備える構造体と、その構造体を挟む第１及び第２の基板とを含有し、第２の基板と上記構造体とによって囲まれたポンプ室を有する化学分析チップ３００を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学分析チップに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、化学反応を利用した化学検査システムは、医療診断、創薬、ＤＮＡ解析、環境検査、食品品質検査など、様々な分野で利用されている。これらのうち、特に医療オンサイトの診断や創薬実験、ＤＮＡ解析などの検査システムは、安価であること、及び、検査時間の短縮のために結果が判明するまでの時間を短くすることが求められている。
【０００３】
ここで、化学検査システムにおける化学反応速度は個々の反応において一定であるため、その検査液を数１０〜数１００ｎＬというごく微少量にすることで反応時間を短縮し、結果が判明するまでの時間を短縮している。そのように反応時間を短縮する技術として微細な化学分析チップを利用することが検討されている。
【０００４】
従来、化学分析チップ（マイクロ化学チップ）として、例えば、特許文献１、２に記載のものが知られている。特許文献１では、流体貯留部から排出部の流路内にポンプ部を設け、複数の微量の試料液（検査液）を合流させるマイクロ化学チップが開示されている。また、特許文献２には、複数のマイクロポンプを用いて、蛇行した混合流路で混合液を往復させることにより攪拌し、混合液中の分析用物質の抽出効率を高めた技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１０６７６号公報
【特許文献２】特開２００８−２０９２８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、本発明者らが、それらの従来の化学分析チップについて詳細に検討を行ったところ、このような従来の化学分析チップは、試料液を検査する検査部（分析部）が試料液の脈動の影響を受けて微量成分を検出し難くなる等、精度の高い検査結果を示さないものであることが判明した。
【０００７】
そこで、本発明は上記事情にかんがみてなされたものであり、試料液の脈動を抑制し、精度の高い検査結果を示すことのできる化学分析チップを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、ポンプのアクチュエータに用いる圧電材を従来の化学分析チップに備えられるものから改良することで、試料液の脈動を抑制することができることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、試料液を移送するポンプ手段と、試料液を流通する流路と、試料液を検査する検査手段とを備える化学分析チップであって、ポンプ手段は、薄膜の圧電素子とその圧電素子を支持する支持部材とを備える構造体と、構造体を挟む第１及び第２の基板とを含有し、第２の基板と構造体とによって囲まれたポンプ室を有する化学分析チップである。ここで、本発明における「薄膜の圧電素子」とはいわゆる気相法で形成された薄膜の圧電素子を意味する。
【０００９】
上記特許文献１及び２には、化学分析チップに備えられるポンプとして、アクチュエータに圧電材を用いて駆動するものが示されている。その圧電材は、厚膜形成手法で形成されているものであったり、圧電素子板であったりして、いずれも膜厚の厚いものである。本発明者らは、圧電材の膜厚が厚いことに起因して、従来の化学分析チップにおいて検査部が試料液の脈動の影響を受けることを見出した。すなわち、膜厚の厚い圧電材は共振周波数が低いため、その圧電材をアクチュエータとして用いたポンプは、移送する試料液の脈動性が高くなってしまう。これにより、検査部が試料液の脈動の影響を強く受けてしまい、精度の高い検査結果を得ることが困難になる。
【００１０】
一方、本発明の化学分析チップにおいては、ポンプ手段を駆動するアクチュエータとして薄膜の圧電素子が備えられている。薄膜の圧電素子は共振周波数が高いため、試料液の脈動を抑制することができる結果、精度の高い検査結果を示すことができる。また、本発明の化学分析チップに備えられる薄膜の圧電素子は、厚み方向（ｄ３３方向）の変位よりも面内方向（ｄ３１方向）の変位が支配的になり、その面内方向の変位に伴い厚み方向に湾曲し、それによりポンプ室内の容積及び圧力の増減を可能としている。その結果、厚み方向の変位によりポンプ室内の容積及び圧力を増減する厚膜の圧電素子と比較して、印加した電圧をより効率的に試料液の移送量に変換することができる。
【００１１】
また、化学分析チップは取り扱う試料液がごく微量になるほど、そのチップを大量に製造する場合、それぞれのチップにおいて、特にポンプ手段が一定の品質を備えるように製造するのは困難となる。ところが、本発明においては、圧電素子を薄膜にする、すなわち気相法で形成することにより、圧電素子の接合不良や位置ズレに起因するポンプ手段の品質の低下を防止することができる。
【００１２】
本発明の化学分析チップにおいて、上記構造体は、試料液の流通方向に沿って配設された２つ以上の圧電素子を備えると好ましい。このような化学分析チップにおいて、ポンプ手段は、試料液の吸入側（上流側）に配置された圧電素子から吐出側（下流側）に配置された圧電素子に向かって順に電圧を印加することで、複数の圧電素子を全体として蠕動様に動作させて試料液を移送できる。そのため、ポンプ手段の上下流に送液制御のためのバルブを設ける必要がなく、チップの構造を単純なものにでき、チップの更なる小型化及び薄膜化が可能となり、安価なものを大量に製造することができる。また、ポンプ手段がバルブの役割を兼ねているため、部材数が少なくてすみ、かつ、各部材間を接続する流路も必要なくなるため、ポンプ手段とバルブとを別々に設けた場合と比較して、各部材間の距離が短くなって応答性が良好になり、チップ内で実効的な試料液の圧力制御が容易となる。また、ポンプ手段は、上流側の圧電素子を変位させて試料液を押し出す（吐出する）と共に、下流側の圧電素子を変位させて試料液を吸入することで、試料液を移送する。このように、試料液の吐出と吸入とを適切に組み合わせることで、ポンプ手段は更に大きな効率を示し、より小さな電圧の印加であっても、試料液のより大きな移送量を実現することができるので、検査時間の更なる短縮化が可能となる。さらには、上記ポンプ手段は、電圧の印加の順番を下流側から上流側への順に変更すれば、試料液を逆送することもできる。なおもさらに、上記ポンプ手段は、各圧電素子への電圧の印加順を調整することで、試料液の揺動、振動、加圧等が可能になる。そのため、効率的な試料液の混合や化学反応も容易となり、多機能な検査が可能となると共に、特にごく微量の試料液を取り扱う場合に、その流れが層流になることによる不十分な混合を解消することもできる。
【００１３】
本発明の化学分析チップにおいて、ポンプ手段が動作していないとき、前記ポンプ室を囲む前記構造体と前記第２の基板とが直接接触していると好ましい。このようなポンプ手段は、動作していないときのポンプ室の容量が実質的にゼロとなる。このポンプ手段は、動作していないときでもポンプ室に空間があって所定の容量を有するようなポンプと比較すると、試料液を吸入する際の容量の増大程度（△Ｖ）が大きくなるため、試料液の移送効率が更に高くなる。
【００１４】
本発明の化学分析チップは、試料液を貯留する貯留手段を更に備えると好ましい。これにより、試料液を注入した状態でその化学分析チップを取り扱うことができるので、例えば、検査装置へ化学分析チップと試料液を一度に設置したり取り外したりすることができる等、取扱い性が向上する。
【００１５】
本発明の化学分析チップは、それぞれ試料液を貯留する第１及び第２の貯留手段と、第１及び第２の貯留手段からそれぞれ試料液を吸入及び吐出により移送する第１及び第２のポンプ手段と、第１及び第２のポンプ手段から吐出された試料液を合流させ、かつ合流した試料液を静的に混合する流路と、流路を通過した試料液を検査する検査手段と、検査手段で検査された後の試料液を吸入及び吐出により移送する第３のポンプ手段と、第３のポンプ手段から吐出された試料液を貯留する第３の貯留手段とを備える化学分析チップであって、第１、第２及び第３のポンプ手段はいずれも、薄膜の圧電素子と圧電素子を支持する支持部材とを備える構造体と、構造体を挟む第１及び第２の基板とを含有し、第２の基板と構造体とによって囲まれたポンプ室と、ポンプ室と連通する第１及び第２の開口部とを有する化学分析チップであると好適である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、試料液の脈動を抑制し、精度の高い検査結果を示すことのできる化学分析チップを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一例に係る化学分析チップを模式的に示す平面図である。
【図２】図１に示すＩＩ−ＩＩ線で切断して現れる断面を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の一例に係るポンプ手段の動作を模式的に示す工程図である。
【図４】本発明の一例に係る検査システムを示す模式図である。
【図５】本発明の一例に係るポンプ手段の駆動方法を模式的に示す平面図である。
【図６】本発明の一例に係るポンプ手段の駆動方法を模式的に示す平面図である。
【図７】本発明の別の一例に係る化学分析チップを模式的に示す平面図である。
【図８】本発明の更に別の一例に係る化学分析チップを模式的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態（以下、単に「本実施形態」という。）について詳細に説明する。なお、図面中、同一要素には同一符号を付すこととし、重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
【００１９】
図１は、第１の本実施形態の化学分析チップを模式的に示す平面図であり（ただし、後述の第２の基板１１４を透視している。）、図２は、図１に示すＩＩ−ＩＩ線で切断して現れる断面を模式的に示す断面図である。本実施形態の化学分析チップ１００は、第１の基板１１０と、構造体１１２と、第２の基板１１４とを、この順で積層して含む。これらの各部材は、検査前の試料液（以下、「検査前試料液」という。）を貯留する第１及び第２の貯留手段１２０Ａ及び１２０Ｂと、検査前試料液を移送する第１及び第２のポンプ手段１３０Ａ及び１３０Ｂと、検査前試料液を流通する流路１４０と、検査前試料液を検査する検査手段１５０と、検査後の試料液（以下、「検査後試料液」という。）を移送する第３のポンプ手段１３０Ｃと、検査後試料液を貯留する第３の貯留手段１２０Ｃとを構成する。
【００２０】
試料液は、検査対象となる試料を含む液であり、試料を溶媒に溶解又は分散した液であってもよく、それに加えて、試料を搬送するためのキャリア液を含むものであってもよい。キャリア液を用いると、試料が液状である場合にその試料の使用量を低減することができる。
【００２１】
試料としては、例えば、核酸類、蛋白質類、糖類、細胞、及びその複合体が挙げられる。核酸類としては、例えば、ＤＮＡ、ｃＤＮＡ、ＲＮＡ及びアンチセンスＲＮＡ、又はそれらの断片若しくはそれらを増幅したもの、化学合成されたＤＮＡ及び化学合成されたＲＮＡ、又はそれらを増幅したものが挙げられる。蛋白質類としては、例えば、抗原、抗体、レクチン、アドヘシン、生理活性物質の受容体及びペプチドが挙げられる。また、キャリア液としては、例えば、水、メタノール及びエタノールなどのアルコール、リン酸、酢酸、塩酸などの水溶液が挙げられる。
【００２２】
第１の基板１１０は、その表面上に構造体１１２及び検査手段１５０に配置される後述のプローブ１５６を形成可能であり、それらの機能を阻害しないものであれば特に限定されず、例えば、通常の薄膜形成に用いられる基板であってもよい。第１の基板としては、例えば、例えば、シリコン基板、ガラス基板、セラミック基板が挙げられ、その厚さは最も厚い部分で、例えば０．２ｍｍ〜２．０ｍｍである。後述の圧電体の材料及び成膜法との組合せの観点、並びに高配向の圧電体を得る観点から、第１の基板１１０はシリコン基板であると好ましい。
【００２３】
第１の基板１１０は、第１、第２及び第３の貯留手段１２０Ａ、１２０Ｂ及び１２０Ｃ（「１２０Ａ〜Ｃ」と略記する。以下同様。）を形成するために、それらの貯留手段に対応する部分に、上側に開口を有する窪みが設けられている。また、第１の基板１１０は、第１、第２及び第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃの下方部分での厚さが薄くなるよう、その部分に下側に開口を有する窪みが設けられている。これにより、第１、第２及び第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃがより有効に動作し、試料液をより効率的に移送することができる。
【００２４】
構造体１１２は、第１の基板１１０と接触する部分において、第１の基板１１０と接合されており、第１、第２及び第３の圧電素子１６０Ａ〜Ｃと、それらの圧電素子１６０Ａ〜Ｃに直接接合して支持する支持部材１７０とを備える。支持部材１７０は、例えば最も厚い部分で１０〜３０μｍの厚さを有する膜である。支持部材１７０の材料は、絶縁性を有する材料であって、かつ、第１、第２及び第３の圧電素子１６０Ａ〜Ｃの変位によっても破損することなく適度に湾曲して追従することが必要となるため、柔軟性を有する材料であることが好ましい。支持部材１７０の材料として柔軟性を有する材料を採用すると、第１、第２及び第３の圧電素子１６０Ａ〜Ｃの変位を後述のポンプ室に良好に伝えることが可能となるため、第１、第２の及び第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃの効率（試料液移送効率、作動効率）が高くなる。支持部材１７０の材料は、具体的には樹脂材料であることが好ましく、後述の圧電体及び上部電極に良好に接着する材料がより好ましく、例えば、シリコーン樹脂、ポリイミド及びパリレンが挙げられる。支持部材１７０において、第１、第２及び第３の貯留手段１２０Ａ〜Ｃ並びに検査手段１５０を形成する部分で、その厚み方向に貫通孔が設けられている。また、支持部材１７０は、第１、第２及び第３の圧電素子１６０Ａ〜Ｃを下方から埋め込んでいる。
【００２５】
第２の基板１１４は、構造体１１２と接触する部分において、構造体１１２と接合されている。第２の基板１１４としては、例えば、ガラス基板、セラミック基板が挙げられ、その厚さは、例えば、最も厚い部分で０．２ｍｍ〜２．０ｍｍである。第２の基板１１４は、第１、第２及び第３の貯留手段１２０Ａ〜Ｃを形成するために、それらの貯留手段に対応する部分に、下側に開口を有する窪みが設けられている。また、第２の基板１１４には、試料液が第１及び第２の貯留手段１２０Ａ〜Ｂから、第１、第２及び第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃ、流路１４０、検査手段１５０及び第３のポンプ手段１３０Ｃを経て、第３の貯留手段１２０Ｃまで流通するよう、それらに対応する部分に、下側に開口を有する溝及び窪みが設けられている。
【００２６】
第１及び第２の貯留手段１２０Ａ〜Ｂは、それぞれ検査前試料液を貯留するものであり、それぞれ流路１２２Ａ〜Ｂと連通している他は、第１の基板１１０、構造体１１２及び第２の基板１１４に包囲されて形成されている。図示するそれらの貯留手段１２０Ａ〜Ｂの形状は共に略円柱状であるが、それらの形状は互いに同一であっても異なっていてもよく、検査前試料液を貯留可能な形状であれば、特に限定されない。
【００２７】
第１及び第２の貯留手段１２０Ａ〜Ｂは、それぞれ流路１２２Ａ〜Ｂを経て、第１及び第２のポンプ手段１３０Ａ〜Ｂと連通する。流路１２２Ａ〜Ｂは、それぞれ第１及び第２の貯留手段１２０Ａ〜Ｂ並びに第１及び第２のポンプ手段１３０Ａ〜Ｂと連通している他は、第２の基板１１４と構造体１１２とに包囲されて形成される。
【００２８】
図３は、第１のポンプ手段１３０Ａの動作を示す模式的に示す（断面で表す）工程図であり、（Ａ）は動作前の状態を示す。第１のポンプ手段１３０Ａは、薄膜の第１の圧電素子１６０Ａと、その圧電素子１６０Ａを支持する支持部材１７０の一部とを備える構造体１１２の一部と、構造体１１２の上記一部を挟む第１及び第２の基板１１０及び１１４の一部とを含有し、第２の基板１１４の上記一部と構造体１１２の上記一部とに包囲されて形成されるポンプ室１３２Ａを有する。また、圧電素子１６０Ａは、下部電極１６２と、薄膜の圧電体１６４と、検査前試料液の流通方向に沿って配設された３つの上部電極１６６ａ、１６６ｂ及び１６６ｃ（「１６６ａ〜ｃ」と略記する。以下同様。）とを備え、下部電極１６２と上部電極１６６ａ〜ｃとが圧電体１６４を上下から挟んでいる。
【００２９】
圧電素子１６０Ａは、例えば厚み０．５μｍ〜１０．０μｍの薄膜状であって、上部電極１６６ａ〜ｃはそれぞれ略円形の主面を有し、下部電極１６２及び圧電体１６４は、その３つの上部電極１６６ａ〜ｃよりも大きな平面寸法を有している。圧電素子１６０Ａは、支持部材１７０に下側から埋め込まれて接合されて、かつ下面は第１の基板１１０と接合されている。圧電素子１６０Ａにおける３つの上部電極１６６ａ〜ｃは互いに直接接触しておらず、その間では支持部材１７０の下面が圧電体１６４の上面と接合されている。
【００３０】
圧電素子１６０Ａに備えられる下部電極１６２からは配線（図示せず）が取り出され、３つの上部電極１６６ａ〜ｃからは、それぞれ配線（図示せず）が取り出される。取り出されたそれらの配線は端子（図示せず）まで延びており、その端子を介して電源（図示せず）に接続されている。
【００３１】
ここで、第１のポンプ手段１３０Ａの動作方法について、図３を参照しながら説明する。なお、圧電素子１６０Ａにおいて、下部電極１６２及び圧電体１６４上に上部電極１６６ａを備え、それらの間での電圧の印加により動作する部分を圧電動作部１６８ａ、下部電極１６２及び圧電体１６４上に上部電極１６６ｂを備え、それらの間での電圧の印加により動作する部分を圧電動作部１６８ｂ、下部電極１６２及び圧電体１６４上に上部電極１６６ｃを備え、それらの間での電圧の印加により動作する部分を圧電動作部１６８ｃと表記する。まず、（Ａ）工程において、ポンプ手段１３０Ａは停止状態にある。次いで、（Ｂ）工程において、下部電極１６２と、検査前試料液の流通方向に対して最も上流側の上部電極１６６ａとの間に電圧を印加する。この際、圧電体１６４の上部電極１６６ａと接触する部分が面内方向（ｄ３１方向）に収縮するように電圧を印加する。すると、圧電体１６４のその部分が変位（面内方向への収縮）する一方で、下部電極１６２や第１の基板１１０は面内方向に変位しないため、圧電動作部１６８ａが支持部材１７０及び第１の基板１１０を伴って下側に湾曲する。これにより、ポンプ室１３２Ａの容量が増大すると共にポンプ室１３２Ａが負圧になるため、ポンプ手段１３０Ａは、第１の貯留手段１２０Ａに貯留された検査前試料液を、流路１２２Ａを経由してポンプ室１３２Ａに吸入する。
【００３２】
次いで、（Ｃ）工程において、下部電極１６２と上部電極１６６ａとの間への電圧の印加を維持した状態で、下部電極１６２と上部電極１６６ｂとの間に電圧を印加する。すると、圧電体１６４の上部電極１６６ｂと接触する部分が変位（面内方向への収縮）する一方で、下部電極１６２や第１の基板１１０は面内方向に変位しないため、圧電体１６４の上記部分の変位に伴い圧電動作部１６８ｂが支持部材１７０及び第１の基板１１０を伴って下側に湾曲する。これにより、ポンプ室１３２Ａの容量が更に増大すると共にポンプ室１３２Ａが負圧になるため、ポンプ手段１３０Ａは、流路１２２Ａからポンプ室１３２Ａに更に検査前試料液を吸入する。
【００３３】
続いて、（Ｄ）工程において、下部電極１６２と上部電極１６６ａとの間への電圧の印加を停止し、下部電極１６２と上部電極１６６ｂとの間への電圧の印加を維持した状態で、下部電極１６２と、検査前試料液の流通方向に対して最も下流側の上部電極１６６ｃとの間に電圧を印加する。すると、圧電体１６４の上部電極１６６ａと接触する部分の面内方向への収縮がなくなるため、圧電動作部１６８ａが停止時の状態に戻る。また、圧電体１６４の上部電極１６６ｃと接触する部分が変位（面内方向への収縮）する一方で、下部電極１６２や第１の基板１１０は面内方向に変位しないため、圧電体１６４の上記部分の変位に伴い圧電動作部１６８ｃが支持部材１７０及び第１の基板１１０を伴って下側に湾曲する。これにより、圧電動作部１６８ａに対応するポンプ室１３２Ａの部分の容量が減少して、その部分が加圧されると共に、圧電動作部１６８ｃに対応するポンプ室１３２Ａの部分の容量が増大してその部分が負圧になるため、ポンプ手段１３０Ａは、圧電動作部１６８ａに対応するポンプ室１３２Ａの部分で検査前試料液を押し出す一方で、圧電動作部１６８ｃに対応するポンプ室１３２Ａの部分に検査前試料液を吸入し、検査前試料液をより下流側に移送する。
【００３４】
次に、（Ｅ）工程において、下部電極１６２と上部電極１６６ｂとの間への電圧の印加を停止する。すると、圧電体１６４の上部電極１６６ｂと接触する部分の面内方向への収縮がなくなるため、圧電動作部１６８ｂが停止時の状態に戻る。これにより、圧電動作部１６８ｂに対応するポンプ室１３２Ａの部分の容量が減少して、その部分が加圧されるため、ポンプ手段１３０Ａは、圧電動作部１６８ｂに対応するポンプ室１３２Ａの部分で検査前試料液を押し出し、ポンプ手段１３０Ａの下流にある流路１４０に検査前試料液を移送する。
【００３５】
そして、（Ａ）工程に戻って、下部電極１６２と上部電極１６６ｃとの間への電圧の印加を停止する。すると、圧電体１６４の上部電極１６６ｃと接触する部分の面内方向への収縮がなくなるため、圧電動作部１６８ｃが停止時の状態に戻る。これにより、圧電動作部１６８ｃに対応するポンプ室１３２Ａの部分の容量が減少して、その部分が加圧されるため、ポンプ手段１３０Ａは、圧電動作部１６８ｃに対応するポンプ室１３２Ａの部分で検査前試料液を押し出し、ポンプ手段１３０Ａの下流にある流路１４０に更に検査前試料液を移送する。
【００３６】
上述の各工程を繰り返すことで、本実施形態のポンプ手段１３０Ａにおける圧電素子１６０Ａを全体として蠕動させて（うごめくように）動作することにより、そのポンプ手段１３０Ａを経由して検査前試料液を移送することができる。この場合、例えば上記（Ｅ）工程の開始と共に、上記（Ｂ）工程を開始してもよい。これにより、更に圧電ポンプ１３０Ａによる単位時間当たりの流体の移送量を増大することが可能となる。
【００３７】
第２のポンプ手段１３０Ｂは、第２の圧電素子１６０Ｂを備えるものであって、第２の貯留手段１２０Ｂに貯留された検査前試料液を、流路１２２Ｂを経由してポンプ室（図示せず）に吸入し、更にそのポンプ室から吐出することで流路１４０に移送することができる。本実施形態において、第２のポンプ手段１３０Ｂは第１のポンプ手段１３０Ａと同様の構造及び動作を有するため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００３８】
流路１４０は、第１及び第２のポンプ手段１３０Ａ〜Ｂ及び検査手段１５０と連通している他は、構造体１１２と第２の基板１１４とに包囲されて形成される。流路１４０は、第１のポンプ手段１３０Ａから連通する流路部１４０Ａと、第２のポンプ手段１３０Ｂから連通する流路部１４０Ｂと、それらの流路部１４０Ａ〜Ｂが合流した後の流路部１４０Ｃとを有する。流路部１４０Ｃは図示するように平面形状において蛇行している。流路１４０は、第１及び第２のポンプ手段１３０Ａ〜Ｂから移送される検査前試料液を検査手段１５０に流通すると共に、必要に応じて、検査前試料液を混合したり反応させたりするものである。すなわち、流路１４０は、第１のポンプ手段１３０Ａからの検査前試料液と、その検査前試料液とは異なる種類の第２のポンプ手段１３０Ｂからの検査前試料液とを、流路部１４０Ｃで合流し更に蛇行形状によりそれらの検査前試料液を静的に撹拌する。これにより、それらの検査前試料液の混合又は反応を速やかに進行させることができ、例えばＤＮＡの化学合成や増幅、検査解析に利用することが可能となる。
【００３９】
検査手段１５０は、その部分に検査前試料液を滞留させて、その分析や検査を行うためのものである。検査手段１５０は、流路１４０及び第３のポンプ手段１３０Ｃと連通している他は、第１及び第２の基板１１０及び１１４と構造体１１２とに包囲されて形成される。検査手段は、より正確で精度の高い分析や検査を行うために、検査前試料液を所定時間滞留できるように所定以上の容積を確保することが好ましい。また、検査手段１５０には、ＤＮＡと結合することによりそのＤＮＡの検出を可能とするようなセンサ１５６が備えられると好ましい。
【００４０】
第３のポンプ手段１３０Ｃは、第３の圧電素子１６０Ｃを備えるものであって、検査手段１５０からの検査後試料液を、流路１５２を経由してポンプ室（図示せず）に吸入し、更にそのポンプ室から吐出することで流路１５４に移送することができる。本実施形態において、第３のポンプ手段１３０Ｃは第１のポンプ手段１３０Ａと同様の構造及び動作を有するため、ここでの詳細な説明は省略する。流路１５２は、検査手段１５０及び第３のポンプ手段１３０Ｃと連通している他は、第２の基板１１４と構造体１１２とに包囲されて形成される。
【００４１】
第３の貯留手段１２０Ｃは、第３のポンプ手段１３０Ｃから移送される検査後試料液を貯留するものであり、流路１５４と連通している他は、第１の基板１１０、構造体１１２及び第２の基板１１４に包囲されて形成されている。図示する第３の貯留手段１２０Ｃの形状は略円柱状であるが、検査後試料液を貯留可能な形状であれば、特に限定されない。流路１５４は、第３のポンプ手段１３０Ｃ及び第３の貯留手段１２０Ｃと連通している他は、第２の基板１１４と構造体１１２とに包囲されて形成される。
【００４２】
続いて、本実施形態の化学分析チップ１００の製造方法について説明する。まず、成膜用基板を兼ねる第１の基板１１０を準備し、その第１の基板１１０の下側の主面をエッチング等により加工して、第１、第２及び第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃの下方部分での厚さが薄くなるよう、その部分に下側に開口を有する窪みを形成する。次いで、その第１の基板１１０上の所定位置に第１、第２及び第３の圧電素子１６０Ａ〜Ｃを形成する。圧電素子１６０Ａを例にとって説明すると、まず、第１の基板１１０上に薄膜の下部電極１６２及び薄膜の圧電体１６４をこの順で積層する。より具体的には、まず、第１の基板１１０の表面上に下部電極１６２を、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法又は蒸着法などの気相法により形成し、第１の基板１１０に下部電極１６２を接合する。下部電極１６２の材料は、圧電素子の電極材料として用いられ得るものであれば特に限定されず、例えば白金、金、銅、及びこれらを含む合金が挙げられる。また、下部電極１６２の厚さは、例えば０．０５μｍ〜１．０μｍである。
【００４３】
次いで、下部電極１６２の表面上に薄膜の圧電体１６４を形成する。圧電体１６４の形成方法としては、気相法であれば特に限定されず、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ法又は蒸着法が挙げられる。圧電体１６４の材料は薄膜形成可能な圧電材料であれば特に限定されず、例えば、ＰＺＴ、チタン酸バリウムなどが挙げられる。それらの中でも、優れた圧電特性を示し、入手も容易な観点から、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）が好ましい。圧電体１６４の厚さは、例えば０．５μｍ〜５．０μｍである。
【００４４】
続いて、圧電体１６４の表面上に薄膜の上部電極１６６ａ〜ｃとなる層を、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法又は蒸着法などの気相法により形成する。次いで、上部電極１６６ａ〜ｃとなる層を所望の形状にパターニングする。パターニングの方法は、特に限定されず、例えば、エッチマスクとしてマスクレジストを上部電極１６６ａ〜ｃとなる層の表面上に形成した後に、エッチングによりマスクレジストで被覆されていない上記層の部分を除去し、その後、マスクレジストを除去してもよい。他のパターニングの方法として、レジストパターニング、成膜、不要部分の除去を行うリフトオフ法を用いてもよい。これにより、薄膜の上部電極１６６ａ〜ｃが形成され、下部電極１６２、圧電体１６４及び上部電極１６６ａ〜ｃが積層された領域において薄膜の圧電素子１６０Ａが得られる。上部電極１６６ａ〜ｃの材料は、圧電素子の電極材料として用いられ得るものであれば特に限定されず、例えば白金、金、銅、及びこれらを含む合金が挙げられる。上部電極１６６ａ〜ｃの厚さは、例えば０．０５μｍ〜１．０μｍであってもよい。
【００４５】
第２及び第３の圧電素子１６０Ｂ〜Ｃも、第１の圧電素子１６０Ａと同様にして形成される。
【００４６】
次いで、第１の基板１１０、圧電素子１６０Ａ〜Ｃ及び圧電体１６４の露出した表面上に支持部材１７０を形成する。支持部材１７０の材料は、上述のとおり、具体的には樹脂材料であることが好ましい。支持部材１７０の材料が樹脂材料である場合、まず、その樹脂材料の原料となる樹脂組成物（例えば、樹脂及び／又は単量体と溶媒との混合物）を第１の基板１１０、圧電素子１６０Ａ〜Ｃ及び圧電体１６４の露出した表面上に塗布する。次いで、塗布した樹脂組成物を乾燥などにより固化又は加熱若しくは光照射などにより硬化させる。その後、第１、第２及び第３の貯留手段１２０Ａ〜Ｃ並びに検査手段１５０に対応する部分の樹脂材料を除去する。こうして、第１、第２及び第３の圧電素子１６０Ａ〜Ｃとそれらの圧電素子１６０Ａ〜Ｃを支持する支持部材１７０とを備える構造体１１２を得る。その後、下部電極１６２及び上部電極１６６ａ〜ｃに配線を接続する。
【００４７】
次に、第１の基板１１０の上側の主面の所望の部分をエッチングする。具体的には、第１、第２及び第３の貯留手段１２０Ａ〜Ｃに対応する部分を上側の主面からエッチングして、それらを設けるための窪みを形成する。エッチングの方法は、特に限定されず、例えば、エッチマスクとして所定形状のマスクレジストを第１の基板１１０の表面上に形成した後に、エッチングによりマスクレジストで被覆されていない第１の基板１１０の部分を除去し、その後、マスクレジストを除去してもよい。他のエッチングの方法としては、レジストパターニング、成膜、不要部分の除去を行うリフトオフ法が挙げられる。エッチングとしては、ドライエッチングが好ましく、例えば、反応性ガスエッチング、反応性イオンエッチング、反応性イオンビームエッチング、イオンビームエッチング、反応性レーザービームエッチングが例示される。こうして、第１の基板と構造体１１２とを備える複合体を得る。
【００４８】
一方、第２の基板１１４を準備して、第２の基板１１４の下側の主面をウェットエッチング等によりパターニング加工して所定形状の溝及び窪みを形成する。溝及び窪は、その形状及び位置が、第１、第２及び第３の貯留手段１２０Ａ〜Ｃ、流路１２２Ａ〜Ｂ、１４０、１５２及び１５４、第１のポンプ手段１３０Ａにおけるポンプ室１３２Ａ、第２及び第３のポンプ手段におけるポンプ室、並びに検査手段１５０に対応するように形成する。
【００４９】
次いで、上記複合体と、パターニング加工後の第２の基板１１４とを、位置合わせして接合する。接合は、接着性樹脂を用いてなされてもよい。接着性樹脂の種類としては、複合体と第２の基板１１４とを接合できるものであれば特に限定されないが、例えば、ポリイミド、変性ポリイミド、パリレン、シリコーン系樹脂が挙げられる。こうして、本実施形態の化学分析チップ１００が得られる。
【００５０】
次に、本実施形態の化学分析チップ１００を用いる検査システムについて説明する。図４は、本実施形態の検査システムを示す模式図である。本実施形態の検査システム２００は、化学分析チップ１００の検査手段１５０における試料液を分析するための検出装置２１０と、化学分析チップ１００の第１〜第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃを駆動し制御するための電源及び制御装置２２０と、第１〜第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃの各電極と電源及び制御装置２２０とを接続する配線２３０とを備える。
【００５１】
検出装置２１０としては、試料液における分析対象となる情報を検出できるものであれば特に限定されず、例えば、分析対象となる情報がＤＮＡ解析の場合は、検出装置２１０は一般的な蛍光色素の標識をモニタ解析する方法であってもよい。その他の検出装置２１０としては、例えば、放射性色素や発光色素、磁気マーカーなどを有する酵素作用を検知するセンシング方法が挙げられる。
【００５２】
また、電源及び制御装置２２０は、例えば、駆動回路及びマイクロコンピュータ等を備え、所定の制御プログラム等を実行することによって、第１、第２及び第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃを駆動する。駆動回路は、信号生成部と信号増幅部とを備えてもよく。その駆動回路では、信号生成回路、信号生成ソフトなどの信号生成部において生成した電圧信号を、ピエゾドライバなどの信号増幅部で所定の電圧まで増幅して、上述の各下部電極及び上部電極に配線２３０を介して供給する。各下部電極及び上部電極に電圧信号を供給するタイミングは、マイクロコンピュータによる所定の制御プログラムにより制御される。
【００５３】
次に、本実施形態の化学分析チップ１００に対して、検査システム２００を用いて検査する検査方法について説明する。まず、化学分析チップ１００の第１及び第２の貯留手段１２０Ａ〜Ｂにそれぞれ試料液を供給する。次いで、その化学分析チップ１００を検査システム２００の所定位置に設置する。次に、電源及び制御装置２２０から配線２３０を介して、第１及び第２のポンプ手段１３０Ａ〜Ｂの各電極に所定の電圧を印加して、各ポンプ手段１３０Ａ〜Ｂの駆動を開始する。これにより、第１及び第２の貯留手段１２０Ａ〜Ｂに貯留された検査前試料液が、各ポンプ手段１３０Ａ〜Ｂを経由して、流路１４０に供給される。流路１４０では、第１及び第２の貯留手段１２０Ａ〜Ｂからの検査前試料液が合流して、更に蛇行したその流路１４０により十分に混合される。引き続き、第１及び第２のポンプ手段１３０Ａ〜Ｂを駆動することにより、流路１４０にて混合された検査前試料液が検査手段１５０に供給される。検査手段１５０に検査前試料液が十分に供給されてから第１及び第２のポンプ手段１３０Ａ〜Ｂへの電圧の印加を止めて、それらのポンプ手段１３０Ａ〜Ｂの駆動を停止する。次いで、検出装置２１０により、試料液を分析する。分析が完了するまでの所定時間が経過した後、電源及び制御装置２２０から配線２３０を介して、第３のポンプ手段１３０Ｃの各電極に所定の電圧を印加して、ポンプ手段１３０Ｃの駆動を開始する。これにより、検査後試料液がポンプ手段１３０Ｃを介して、第３の貯留手段１２０Ｃに回収される。検査後試料液の全てが第３の貯留手段１２０Ｃに回収されて貯留されたら、第３のポンプ手段１３０Ｃへの電圧の印加を止めて、そのポンプ手段１３０Ｃの駆動を停止する。
【００５４】
以上説明した本実施形態の化学分析チップ１００においては、第１、第２及び第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃを駆動するアクチュエータとして薄膜の圧電素子（例えば圧電素子１６０Ａ）が備えられている。薄膜の圧電素子は共振周波数が高いため、高速駆動させることにより試料液の脈動を抑制することができる結果、精度の高い分析・検査結果を示すことができる。また、化学分析チップ１００の上記各ポンプ手段１３０Ａ〜Ｃに備えられる薄膜の圧電素子は、厚み方向（ｄ３３方向）の変位よりも面内方向（ｄ３１方向）の変位が支配的になり、その面内方向の変位に伴い厚み方向下側に湾曲し、それによりポンプ室（例えばポンプ室１３２Ａ）内の容積及び圧力の増減を可能としている。これは、厚み方向の変位によりポンプ室内の容積及び圧力を増減する厚膜の圧電素子と比較して、印加した電圧をより効率的に試料液の移送量に変換することができるという利点を実現するものである。
【００５５】
また、化学分析チップは取り扱う試料液がごく微量になるほど、そのチップを大量に製造する場合、それぞれのチップにおいて、特にポンプ手段が一定の品質を備えるように製造するのは困難となる。ところが、本実施形態においては、圧電素子を薄膜にする、すなわち気相法で形成することにより、圧電素子の接合不良や位置ズレに起因するポンプ手段の品質の低下を防止することができる。
【００５６】
さらに、本実施形態の化学分析チップ１００は、試料液の吸入側（上流側）に配置された圧電素子から吐出側（下流側）に配置された圧電素子に向かって順に電圧を印加することが可能な各ポンプ手段１３０Ａ〜Ｃを備える。それらのポンプ手段１３０Ａ〜Ｃでは、複数の圧電素子を全体として蠕動様に動作させて試料液を移送できる。そのため、ポンプ手段１３０Ａ〜Ｃの上下流に試料液の移送量を制御するためのバルブ（弁）を設ける必要がなく、チップ１００の構造を単純なものにでき、チップ１００の更なる小型化及び薄膜化が可能となり、安価なものを大量に製造することができる。また、ポンプ手段１３０Ａ〜Ｃがバルブの役割を兼ねているため、部材数が少なくてすみ、かつ、各部材間を接続する流路も少なくできるため、ポンプ手段とバルブとを別々に設けた場合と比較して、各部材間の距離が短くなって応答性が良好になり、チップ内で実効的な試料液の圧力制御が容易となる。また、各ポンプ手段１３０Ａ〜Ｃでは、上流側の圧電素子を変位させて試料液を押し出す（吐出する）と共に、下流側の圧電素子を変位させて試料液を吸入することで、試料液を移送する。このように、試料液の吐出と吸入とを適切に組み合わせることで、ポンプ手段１３０Ａ〜Ｃは更に大きな効率を示し、より小さな電圧の印加であっても、試料液のより大きな移送量を実現することができるので、分析・検査時間の更なる短縮化が可能となる。
【００５７】
また、本実施形態の化学分析チップ１００は、試料液を貯留する各貯留手段１２０Ａ〜Ｃを備えることにより、試料液を注入した状態でその化学分析チップ１００を取り扱うことができ、例えば、検査システム２００へ化学分析チップ１００と試料液とを一度に設置したり取り外したりすることができる等、取扱い性が向上する。
【００５８】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上記本実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば、上記第１の本実施形態における第１、第２及び第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃの構造が互いに異なっていてもよい。
【００５９】
また、本発明の化学分析チップに備えられるポンプ手段は、上記本実施形態では、試料液の流通方向に沿って上流側から下流側に順に圧電体の部分を駆動することで、試料液を上流から下流に移送するものであったが、ポンプ手段の駆動方法はこれに限定されない。図５及び６は、本発明に係るポンプ手段の駆動方法を模式的に示す平面図である。図示するポンプ手段は、上記本実施形態と同様に、試料液の流通方向に沿って配設された３つの上部電極に対応する３つの圧電動作部が独立に動作できるものである。図５は、そのようなポンプ手段を１つ動作する場合を示しており、図６は、そのようなポンプ手段を２つ並列に配置して動作する場合を示している。
【００６０】
図５の（Ａ）は、上記本実施形態と同様に、上流側から下流側に順に圧電動作部を駆動することで、ポンプ手段が試料液を上流から下流に移送するものである。（Ｂ）は、下流側から上流側に順に圧電動作部を駆動することで、ポンプ手段が試料液を下流から上流に移送するものである。このような駆動方法は、例えば、下流側に移送した試料液を上流側に逆流させたい場合に有用である。（Ｃ）は、まず、上流側から下流側に順に圧電動作部を駆動させ、最下流の圧電動作部を駆動させた後、直ちに下流側から上流側に順に圧電動作部を駆動させ、最上流の圧電体の部分を駆動させた後、直ちに再び上流側から下流側に順に圧電動作部を駆動させ、これを繰り返す駆動方法である。これにより、ポンプ手段において、試料液を効率的に混合撹拌することが可能となる。さらに（Ｄ）は、それぞれの圧電動作部をランダムに駆動する駆動方法である。これによっても、ポンプ手段において、試料液を効率的に混合撹拌することが可能となる。
【００６１】
図６の（Ａ）は、並列に配置した２つのポンプ手段の上流に分岐した流路が設けられている場合を示す。この場合、２つのポンプ手段を同時に駆動し、それぞれ、上流側から下流側に順に圧電動作部を駆動する。このとき、２つのポンプ手段に印加する電圧や、圧電動作部の駆動シーケンスを変化させることで、それぞれのポンプ手段による試料液の移送量（移送割合）を任意に変更することが可能となる。また、（Ｂ）は、並列に配置した２つのポンプ手段の下流の流路が合流し、そこに貯留手段が設けられ終端している場合である。この場合、２つのポンプ手段を同時に駆動し、それぞれ、上流側から下流側に順に圧電動作部を駆動すると、それらのポンプ手段により移送された試料液が上記貯留手段に滞留し、更に２つのポンプ手段の駆動を続けることで貯留手段での試料液の圧力が上昇する。これにより、温度制御と併用するなどして化学反応の時間を短縮したり制御したりすることが可能となるので、かかる加圧方法は、薬品・化学製品開発における水素化反応、重合反応、カルボニル化反応の付加圧合成の実験に用いることができる。（Ｃ）は、並列に配置した２つのポンプ手段の下流の流路が合流し、更に合流した後の下流の流路に、圧電動作部が１つのみのポンプ手段を備える場合である。この場合、３つのポンプ手段を同時に駆動し、並列に配置したポンプ手段についてそれぞれ、上流側から下流側に順に圧電動作部を駆動すると、それらのポンプ手段により移送された試料液が下流で合流する。合流した後の試料液は、更に圧電動作部が１つのみのポンプ手段に供給される。圧電動作部が１つのみのポンプ手段は、その上下流に弁が設けられていないと、その駆動により、試料液を移送するよりもむしろ試料液を上下に振動する方が支配的になる。したがって、これにより、試料液の効率的な混合撹拌が可能となる。
【００６２】
このように、本発明の化学分析チップにおけるポンプ手段はその配置及び駆動方法によって、様々な動作を行うことが可能である。特に、従来の化学分析チップにおいて、その小型化を図ろうとすると、ポンプの能力不足に起因して、試料液のレイノルズ数が極端に低くなる。ところが、本発明の化学分析チップによると、上述から明らかなように、試料液を振動して乱流を発生させることにより、効率的な試料液の混合撹拌が可能となる。したがって、試料液の迅速かつ十分な混合及び反応に有効な手段となり得、化学分析チップとしての機能性が高まる。
【００６３】
また、本発明の化学分析チップは、図７に示すような構成を有していてもよい。図７は、第２の本実施形態の化学分析チップを模式的に示す平面図である（ただし、第２の基板を透視している。）。この本実施形態の化学分析チップ３００は、検査前試料液を貯留する第１の貯留手段３２０Ａと、検査前試料液を流通する流路３４０と、検査前試料液を検査する検査手段３５０と、ポンプ手段３３０の上流で検査後試料液を流通する流路３４２と、検査後試料液を移送するポンプ手段３３０と、ポンプ手段３３０の下流で検査後試料液を流通する流路３４４と、検査後試料液を貯留する第２の貯留手段３２０Ｂとを備える。第１の貯留手段３２０Ａと検査手段３５０とは、流路３４０を介して連通しており、検査手段３５０とポンプ手段３３０とは、流路３４２を介して連通しており、ポンプ手段３３０と第２の貯留手段３２０Ｂとは、流路３４４を介して連通している。
【００６４】
この化学分析チップ３００において、第１の貯留手段３２０Ａ、検査手段３５０、ポンプ手段３３０及び第２の貯留手段３２０Ｂは、それぞれ、第１の本実施形態における第１の貯留手段１２０Ａ、検査手段１５０、第３のポンプ手段１３０Ｃ及び第３の貯留手段１２０Ｃと同様のものである。また、この本実施形態に係る検査前試料液を流通する流路３４０は、蛇行しておらず直線状となっている。この本実施形態の化学分析チップ３００は、流路が合流したり蛇行していなかったりして、上記第１の本実施形態と対比して、単純な構成を有しているため、２種以上の試料液を混合したり反応したりする必要がない場合に有用である。なお、この本実施形態の化学分析チップ３００においては、ポンプ手段３３０を駆動することにより、系内の全ての試料液の移送を行う。
【００６５】
さらに、本発明の化学分析チップは、図８に示すような構成を有していてもよい。図８は、第３の本実施形態の化学分析チップを模式的に示す平面図である（ただし、第２の基板を透視している。）。この本実施形態の化学分析チップ４００は、試料液を貯留する第１及び第２の貯留手段４２０Ａ及び４２０Ｂと、試料液を移送する第１及び第２のポンプ手段４３０Ａ及び４３０Ｂと、試料液を流通する流路４４０と、試料液を検査する第１の検査手段４５０Ａと、試料液を移送する第３のポンプ手段４３０Ｃと、試料液を貯留する第３の貯留手段４２０Ｃとを備える。さらに、化学分析チップ４００は、第１のポンプ手段４３０Ａから移送される試料液を第２のポンプ手段４３０Ｂから移送される試料液とを混合すると共に検査する第２の検査手段４５０Ｂと、流路４４０におけるヒータ及び温度センサ等のセンサを内蔵する加熱手段４６０とを備える。第１の貯留手段４２０Ａと第１のポンプ手段４３０Ａとは、流路４２２Ａを介して連通しており、第２の貯留手段４２０Ｂと第２のポンプ手段４３０Ｂとは、流路４２２Ｂを介して連通しており、第１のポンプ手段４３０Ａと第２の検査手段４５０Ｂとは、流路４２４Ａを介して連通しており、第２のポンプ手段４３０Ｂと第２の検査手段４５０Ｂとは、流路４２４Ｂを介して連通している。また、第２の検査手段４５０Ｂと第１の検査手段４５０Ａとは、流路４４０を介して連通しており、第１の検査手段４５０Ａと第３のポンプ手段４３０Ｃとは、流路４２６を介して連通しており、第３のポンプ手段４３０Ｃと第３の貯留手段４２０Ｃとは、流路４２８を介して連通している。
【００６６】
この化学分析チップ４００において、第１、第２及び第３の貯留手段４２０Ａ〜Ｃ、１、第２及び第３のポンプ手段４３０Ａ〜Ｃ、流路４４０並びに第１の検査手段４５０Ａは、それぞれ、第１の本実施形態における第１、第２及び第３の貯留手段１２０Ａ〜Ｃ、第１、第２及び第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃ、流路１４０並びに検査手段１５０と同様のものである。
【００６７】
第２の検査手段４５０Ｂは、試料液の分析や検査を行うためのものである。第１の検査手段４５０Ａでは、流路４４０を通過して十分な混合や反応の後の試料液が分析されるのに対して、第２の検査手段４５０Ｂでは、流路４４０を通過する前の十分な混合や反応の前の試料液が分析される。したがって、第１及び第２の検査手段４５０Ａ〜Ｂにおける分析結果を対比することによって、流路４４０での混合前後での変化、反応前後の比較、経時変化などを調べることができる。第２の検査手段４５０Ｂも、第１の検査手段４５０Ａと同様に、流路４２２Ａ及びＢ、流路４４０と連通している他は、第１及び第２の基板と構造体（以上図示せず）とに包囲されて形成される。第２の検査手段４５０Ｂは、より正確で精度の高い分析や検査を行うために、試料液を所定時間滞留できるように所定以上の容積を確保することが好ましい。また、第２の検査手段４５０Ｂには、ＤＮＡと結合することによりそのＤＮＡの検出を可能とするようなプローブ（図示せず）が備えられると好ましい。また、加熱手段４６０は、流路４４０において混合撹拌された試料液を所定の温度に加熱して、そこでの反応を促進するためのものである。加熱手段４６０がヒータと共に温度センサ等のセンサを内蔵することで、所望の温度に制御しやすくなり、反応の制御が容易となる。
【００６８】
また、例えば、上記第１の本実施形態において、支持部材１７０は圧電素子１６０Ａの上側（ポンプ室側）に配置されたが、支持部材は圧電素子の下側（ポンプ室とは逆側）に配置されてもよく、省略されてもよい。ただし、それらの場合、圧電素子が直接流体と接触することとなり、圧電素子の劣化に繋がりやすくなるため、支持部材は圧電素子のポンプ室側に配置されることが好ましい。また、上記本実施形態において、圧電素子１６０Ａは、１つの下部電極１６２、１つの圧電体１６４及び３つの上部電極１６６ａ〜ｃを積層して備えるものであったが、上部電極の数はもちろん５つに限定されるものではなく、また、１つの下部電極１６２上に、複数の圧電体と複数の上部電極とを順に積層して備えるものであってもよく、複数の下部電極のそれぞれに圧電体及び上部電極を順に積層して備えるものであってもよい。さらに、上記本実施形態の第１、第２及び第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃのいずれか１つ以上において、構造体１１２と第２の基板１１４とが接合することなく直接接触してもよい。このようなポンプ手段は、動作していないときのポンプ室の容量が実質的にゼロとなる。このポンプ手段は、動作していないときでもポンプ室に空間があって所定の容量を有するようなポンプと比較すると、試料液を吸入する際の容量の増大程度（△Ｖ）が大きくなるため、試料液の移送効率が更に高くなる。
【００６９】
さらに、別の本実施形態において、第１、第２及び第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃのいずれか１つ以上が、ただ一つの下部電極とただ１つの圧電体とただ１つの上部電極とを備えるただ一つの圧電素子を有するものであってもよい。その場合、ポンプ手段が試料液を効率的に移送するために、上流側の流路及び下流側の流路に、別々に開閉できる弁を備えることが好ましい。また、各貯留手段、検査手段及び上部電極の平面形状は略円形でなくてもよく、例えば卵の断面形や楕円、矩形であってもよい。さらには、上記第１の本実施形態において、第１の基板１１０は、第１、第２及び第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃの下方部分での厚さが薄くなるよう、その部分に下側に開口を有する窪みを形成するものであるが、第１の基板がその部分で貫通孔を形成し、第１、第２及び第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃの下側の表面が露出してもよい。
【００７０】
また、上記第１の本実施形態において、第２の基板１１４には、ポンプ室１３２Ａを各圧電動作部１６８ａ〜ｃ毎に仕切るよう、下側に突出した突出部が設けられていてもよい。これらの突出部の下面は、ポンプ手段１３０Ａが作動していないときに、支持部材１７０の上面と直接接触することにより、ポンプ室１３２Ａを仕切る。すなわち、ポンプ室１３２Ａは、各圧電動作部１６８ａ〜ｃ毎の部分的なポンプ室を有してもよい。
【００７１】
さらには、本発明の化学分析チップは貯留手段を備えていなくてもよい。この場合、例えば、外部の貯留手段と本発明の化学分析チップを互いに連通可能なように接続することで、上記本実施形態の化学分析チップと同様にして用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明の化学分析チップは、試料液の脈動を抑制し、精度の高い検査結果を示すことのできるので、医療診断、創薬、ＤＮＡ解析、環境検査、食品品質検査など、様々な分野で利用可能性があり、これらのうち、特に医療オンサイトの診断や創薬実験、ＤＮＡ解析などの検査システムに利用可能性がある。
【符号の説明】
【００７３】
１００、３００、４００…化学分析チップ、１１０…第１の基板、１１２…構造体、１１４…第２の基板、１２０Ａ〜Ｃ、３２０Ａ〜Ｂ、４２０Ａ〜Ｃ…貯留手段、１４０、３４０、４４０…流路、１３０Ａ〜Ｃ、３３０、４３０Ａ〜Ｃ…ポンプ手段、１３２Ａ…ポンプ室、１５０、３５０、４５０Ａ〜Ｂ…検査手段、１６０Ａ〜Ｃ…圧電素子、１６２…下部電極、１６４…圧電体、１６６ａ〜ｃ…上部電極、１７０…支持部材。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学分析チップに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、化学反応を利用した化学検査システムは、医療診断、創薬、ＤＮＡ解析、環境検査、食品品質検査など、様々な分野で利用されている。これらのうち、特に医療オンサイトの診断や創薬実験、ＤＮＡ解析などの検査システムは、安価であること、及び、検査時間の短縮のために結果が判明するまでの時間を短くすることが求められている。
【０００３】
ここで、化学検査システムにおける化学反応速度は個々の反応において一定であるため、その検査液を数１０〜数１００ｎＬというごく微少量にすることで反応時間を短縮し、結果が判明するまでの時間を短縮している。そのように反応時間を短縮する技術として微細な化学分析チップを利用することが検討されている。
【０００４】
従来、化学分析チップ（マイクロ化学チップ）として、例えば、特許文献１、２に記載のものが知られている。特許文献１では、流体貯留部から排出部の流路内にポンプ部を設け、複数の微量の試料液（検査液）を合流させるマイクロ化学チップが開示されている。また、特許文献２には、複数のマイクロポンプを用いて、蛇行した混合流路で混合液を往復させることにより攪拌し、混合液中の分析用物質の抽出効率を高めた技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１０６７６号公報
【特許文献２】特開２００８−２０９２８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、本発明者らが、それらの従来の化学分析チップについて詳細に検討を行ったところ、このような従来の化学分析チップは、試料液を検査する検査部（分析部）が試料液の脈動の影響を受けて微量成分を検出し難くなる等、精度の高い検査結果を示さないものであることが判明した。
【０００７】
そこで、本発明は上記事情にかんがみてなされたものであり、試料液の脈動を抑制し、精度の高い検査結果を示すことのできる化学分析チップを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、ポンプのアクチュエータに用いる圧電材を従来の化学分析チップに備えられるものから改良することで、試料液の脈動を抑制することができることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、試料液を移送するポンプ手段と、試料液を流通する流路と、試料液を検査する検査手段とを備える化学分析チップであって、ポンプ手段は、薄膜の圧電素子とその圧電素子を支持する支持部材とを備える構造体と、構造体を挟む第１及び第２の基板とを含有し、第２の基板と構造体とによって囲まれたポンプ室を有する化学分析チップである。ここで、本発明における「薄膜の圧電素子」とはいわゆる気相法で形成された薄膜の圧電素子を意味する。
【０００９】
上記特許文献１及び２には、化学分析チップに備えられるポンプとして、アクチュエータに圧電材を用いて駆動するものが示されている。その圧電材は、厚膜形成手法で形成されているものであったり、圧電素子板であったりして、いずれも膜厚の厚いものである。本発明者らは、圧電材の膜厚が厚いことに起因して、従来の化学分析チップにおいて検査部が試料液の脈動の影響を受けることを見出した。すなわち、膜厚の厚い圧電材は共振周波数が低いため、その圧電材をアクチュエータとして用いたポンプは、移送する試料液の脈動性が高くなってしまう。これにより、検査部が試料液の脈動の影響を強く受けてしまい、精度の高い検査結果を得ることが困難になる。
【００１０】
一方、本発明の化学分析チップにおいては、ポンプ手段を駆動するアクチュエータとして薄膜の圧電素子が備えられている。薄膜の圧電素子は共振周波数が高いため、試料液の脈動を抑制することができる結果、精度の高い検査結果を示すことができる。また、本発明の化学分析チップに備えられる薄膜の圧電素子は、厚み方向（ｄ３３方向）の変位よりも面内方向（ｄ３１方向）の変位が支配的になり、その面内方向の変位に伴い厚み方向に湾曲し、それによりポンプ室内の容積及び圧力の増減を可能としている。その結果、厚み方向の変位によりポンプ室内の容積及び圧力を増減する厚膜の圧電素子と比較して、印加した電圧をより効率的に試料液の移送量に変換することができる。
【００１１】
また、化学分析チップは取り扱う試料液がごく微量になるほど、そのチップを大量に製造する場合、それぞれのチップにおいて、特にポンプ手段が一定の品質を備えるように製造するのは困難となる。ところが、本発明においては、圧電素子を薄膜にする、すなわち気相法で形成することにより、圧電素子の接合不良や位置ズレに起因するポンプ手段の品質の低下を防止することができる。
【００１２】
本発明の化学分析チップにおいて、上記構造体は、試料液の流通方向に沿って配設された２つ以上の圧電素子を備えると好ましい。このような化学分析チップにおいて、ポンプ手段は、試料液の吸入側（上流側）に配置された圧電素子から吐出側（下流側）に配置された圧電素子に向かって順に電圧を印加することで、複数の圧電素子を全体として蠕動様に動作させて試料液を移送できる。そのため、ポンプ手段の上下流に送液制御のためのバルブを設ける必要がなく、チップの構造を単純なものにでき、チップの更なる小型化及び薄膜化が可能となり、安価なものを大量に製造することができる。また、ポンプ手段がバルブの役割を兼ねているため、部材数が少なくてすみ、かつ、各部材間を接続する流路も必要なくなるため、ポンプ手段とバルブとを別々に設けた場合と比較して、各部材間の距離が短くなって応答性が良好になり、チップ内で実効的な試料液の圧力制御が容易となる。また、ポンプ手段は、上流側の圧電素子を変位させて試料液を押し出す（吐出する）と共に、下流側の圧電素子を変位させて試料液を吸入することで、試料液を移送する。このように、試料液の吐出と吸入とを適切に組み合わせることで、ポンプ手段は更に大きな効率を示し、より小さな電圧の印加であっても、試料液のより大きな移送量を実現することができるので、検査時間の更なる短縮化が可能となる。さらには、上記ポンプ手段は、電圧の印加の順番を下流側から上流側への順に変更すれば、試料液を逆送することもできる。なおもさらに、上記ポンプ手段は、各圧電素子への電圧の印加順を調整することで、試料液の揺動、振動、加圧等が可能になる。そのため、効率的な試料液の混合や化学反応も容易となり、多機能な検査が可能となると共に、特にごく微量の試料液を取り扱う場合に、その流れが層流になることによる不十分な混合を解消することもできる。
【００１３】
本発明の化学分析チップにおいて、ポンプ手段が動作していないとき、前記ポンプ室を囲む前記構造体と前記第２の基板とが直接接触していると好ましい。このようなポンプ手段は、動作していないときのポンプ室の容量が実質的にゼロとなる。このポンプ手段は、動作していないときでもポンプ室に空間があって所定の容量を有するようなポンプと比較すると、試料液を吸入する際の容量の増大程度（△Ｖ）が大きくなるため、試料液の移送効率が更に高くなる。
【００１４】
本発明の化学分析チップは、試料液を貯留する貯留手段を更に備えると好ましい。これにより、試料液を注入した状態でその化学分析チップを取り扱うことができるので、例えば、検査装置へ化学分析チップと試料液を一度に設置したり取り外したりすることができる等、取扱い性が向上する。
【００１５】
本発明の化学分析チップは、それぞれ試料液を貯留する第１及び第２の貯留手段と、第１及び第２の貯留手段からそれぞれ試料液を吸入及び吐出により移送する第１及び第２のポンプ手段と、第１及び第２のポンプ手段から吐出された試料液を合流させ、かつ合流した試料液を静的に混合する流路と、流路を通過した試料液を検査する検査手段と、検査手段で検査された後の試料液を吸入及び吐出により移送する第３のポンプ手段と、第３のポンプ手段から吐出された試料液を貯留する第３の貯留手段とを備える化学分析チップであって、第１、第２及び第３のポンプ手段はいずれも、薄膜の圧電素子と圧電素子を支持する支持部材とを備える構造体と、構造体を挟む第１及び第２の基板とを含有し、第２の基板と構造体とによって囲まれたポンプ室と、ポンプ室と連通する第１及び第２の開口部とを有する化学分析チップであると好適である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、試料液の脈動を抑制し、精度の高い検査結果を示すことのできる化学分析チップを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一例に係る化学分析チップを模式的に示す平面図である。
【図２】図１に示すＩＩ−ＩＩ線で切断して現れる断面を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の一例に係るポンプ手段の動作を模式的に示す工程図である。
【図４】本発明の一例に係る検査システムを示す模式図である。
【図５】本発明の一例に係るポンプ手段の駆動方法を模式的に示す平面図である。
【図６】本発明の一例に係るポンプ手段の駆動方法を模式的に示す平面図である。
【図７】本発明の別の一例に係る化学分析チップを模式的に示す平面図である。
【図８】本発明の更に別の一例に係る化学分析チップを模式的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態（以下、単に「本実施形態」という。）について詳細に説明する。なお、図面中、同一要素には同一符号を付すこととし、重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
【００１９】
図１は、第１の本実施形態の化学分析チップを模式的に示す平面図であり（ただし、後述の第２の基板１１４を透視している。）、図２は、図１に示すＩＩ−ＩＩ線で切断して現れる断面を模式的に示す断面図である。本実施形態の化学分析チップ１００は、第１の基板１１０と、構造体１１２と、第２の基板１１４とを、この順で積層して含む。これらの各部材は、検査前の試料液（以下、「検査前試料液」という。）を貯留する第１及び第２の貯留手段１２０Ａ及び１２０Ｂと、検査前試料液を移送する第１及び第２のポンプ手段１３０Ａ及び１３０Ｂと、検査前試料液を流通する流路１４０と、検査前試料液を検査する検査手段１５０と、検査後の試料液（以下、「検査後試料液」という。）を移送する第３のポンプ手段１３０Ｃと、検査後試料液を貯留する第３の貯留手段１２０Ｃとを構成する。
【００２０】
試料液は、検査対象となる試料を含む液であり、試料を溶媒に溶解又は分散した液であってもよく、それに加えて、試料を搬送するためのキャリア液を含むものであってもよい。キャリア液を用いると、試料が液状である場合にその試料の使用量を低減することができる。
【００２１】
試料としては、例えば、核酸類、蛋白質類、糖類、細胞、及びその複合体が挙げられる。核酸類としては、例えば、ＤＮＡ、ｃＤＮＡ、ＲＮＡ及びアンチセンスＲＮＡ、又はそれらの断片若しくはそれらを増幅したもの、化学合成されたＤＮＡ及び化学合成されたＲＮＡ、又はそれらを増幅したものが挙げられる。蛋白質類としては、例えば、抗原、抗体、レクチン、アドヘシン、生理活性物質の受容体及びペプチドが挙げられる。また、キャリア液としては、例えば、水、メタノール及びエタノールなどのアルコール、リン酸、酢酸、塩酸などの水溶液が挙げられる。
【００２２】
第１の基板１１０は、その表面上に構造体１１２及び検査手段１５０に配置される後述のプローブ１５６を形成可能であり、それらの機能を阻害しないものであれば特に限定されず、例えば、通常の薄膜形成に用いられる基板であってもよい。第１の基板としては、例えば、例えば、シリコン基板、ガラス基板、セラミック基板が挙げられ、その厚さは最も厚い部分で、例えば０．２ｍｍ〜２．０ｍｍである。後述の圧電体の材料及び成膜法との組合せの観点、並びに高配向の圧電体を得る観点から、第１の基板１１０はシリコン基板であると好ましい。
【００２３】
第１の基板１１０は、第１、第２及び第３の貯留手段１２０Ａ、１２０Ｂ及び１２０Ｃ（「１２０Ａ〜Ｃ」と略記する。以下同様。）を形成するために、それらの貯留手段に対応する部分に、上側に開口を有する窪みが設けられている。また、第１の基板１１０は、第１、第２及び第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃの下方部分での厚さが薄くなるよう、その部分に下側に開口を有する窪みが設けられている。これにより、第１、第２及び第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃがより有効に動作し、試料液をより効率的に移送することができる。
【００２４】
構造体１１２は、第１の基板１１０と接触する部分において、第１の基板１１０と接合されており、第１、第２及び第３の圧電素子１６０Ａ〜Ｃと、それらの圧電素子１６０Ａ〜Ｃに直接接合して支持する支持部材１７０とを備える。支持部材１７０は、例えば最も厚い部分で１０〜３０μｍの厚さを有する膜である。支持部材１７０の材料は、絶縁性を有する材料であって、かつ、第１、第２及び第３の圧電素子１６０Ａ〜Ｃの変位によっても破損することなく適度に湾曲して追従することが必要となるため、柔軟性を有する材料であることが好ましい。支持部材１７０の材料として柔軟性を有する材料を採用すると、第１、第２及び第３の圧電素子１６０Ａ〜Ｃの変位を後述のポンプ室に良好に伝えることが可能となるため、第１、第２の及び第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃの効率（試料液移送効率、作動効率）が高くなる。支持部材１７０の材料は、具体的には樹脂材料であることが好ましく、後述の圧電体及び上部電極に良好に接着する材料がより好ましく、例えば、シリコーン樹脂、ポリイミド及びパリレンが挙げられる。支持部材１７０において、第１、第２及び第３の貯留手段１２０Ａ〜Ｃ並びに検査手段１５０を形成する部分で、その厚み方向に貫通孔が設けられている。また、支持部材１７０は、第１、第２及び第３の圧電素子１６０Ａ〜Ｃを下方から埋め込んでいる。
【００２５】
第２の基板１１４は、構造体１１２と接触する部分において、構造体１１２と接合されている。第２の基板１１４としては、例えば、ガラス基板、セラミック基板が挙げられ、その厚さは、例えば、最も厚い部分で０．２ｍｍ〜２．０ｍｍである。第２の基板１１４は、第１、第２及び第３の貯留手段１２０Ａ〜Ｃを形成するために、それらの貯留手段に対応する部分に、下側に開口を有する窪みが設けられている。また、第２の基板１１４には、試料液が第１及び第２の貯留手段１２０Ａ〜Ｂから、第１、第２及び第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃ、流路１４０、検査手段１５０及び第３のポンプ手段１３０Ｃを経て、第３の貯留手段１２０Ｃまで流通するよう、それらに対応する部分に、下側に開口を有する溝及び窪みが設けられている。
【００２６】
第１及び第２の貯留手段１２０Ａ〜Ｂは、それぞれ検査前試料液を貯留するものであり、それぞれ流路１２２Ａ〜Ｂと連通している他は、第１の基板１１０、構造体１１２及び第２の基板１１４に包囲されて形成されている。図示するそれらの貯留手段１２０Ａ〜Ｂの形状は共に略円柱状であるが、それらの形状は互いに同一であっても異なっていてもよく、検査前試料液を貯留可能な形状であれば、特に限定されない。
【００２７】
第１及び第２の貯留手段１２０Ａ〜Ｂは、それぞれ流路１２２Ａ〜Ｂを経て、第１及び第２のポンプ手段１３０Ａ〜Ｂと連通する。流路１２２Ａ〜Ｂは、それぞれ第１及び第２の貯留手段１２０Ａ〜Ｂ並びに第１及び第２のポンプ手段１３０Ａ〜Ｂと連通している他は、第２の基板１１４と構造体１１２とに包囲されて形成される。
【００２８】
図３は、第１のポンプ手段１３０Ａの動作を示す模式的に示す（断面で表す）工程図であり、（Ａ）は動作前の状態を示す。第１のポンプ手段１３０Ａは、薄膜の第１の圧電素子１６０Ａと、その圧電素子１６０Ａを支持する支持部材１７０の一部とを備える構造体１１２の一部と、構造体１１２の上記一部を挟む第１及び第２の基板１１０及び１１４の一部とを含有し、第２の基板１１４の上記一部と構造体１１２の上記一部とに包囲されて形成されるポンプ室１３２Ａを有する。また、圧電素子１６０Ａは、下部電極１６２と、薄膜の圧電体１６４と、検査前試料液の流通方向に沿って配設された３つの上部電極１６６ａ、１６６ｂ及び１６６ｃ（「１６６ａ〜ｃ」と略記する。以下同様。）とを備え、下部電極１６２と上部電極１６６ａ〜ｃとが圧電体１６４を上下から挟んでいる。
【００２９】
圧電素子１６０Ａは、例えば厚み０．５μｍ〜１０．０μｍの薄膜状であって、上部電極１６６ａ〜ｃはそれぞれ略円形の主面を有し、下部電極１６２及び圧電体１６４は、その３つの上部電極１６６ａ〜ｃよりも大きな平面寸法を有している。圧電素子１６０Ａは、支持部材１７０に下側から埋め込まれて接合されて、かつ下面は第１の基板１１０と接合されている。圧電素子１６０Ａにおける３つの上部電極１６６ａ〜ｃは互いに直接接触しておらず、その間では支持部材１７０の下面が圧電体１６４の上面と接合されている。
【００３０】
圧電素子１６０Ａに備えられる下部電極１６２からは配線（図示せず）が取り出され、３つの上部電極１６６ａ〜ｃからは、それぞれ配線（図示せず）が取り出される。取り出されたそれらの配線は端子（図示せず）まで延びており、その端子を介して電源（図示せず）に接続されている。
【００３１】
ここで、第１のポンプ手段１３０Ａの動作方法について、図３を参照しながら説明する。なお、圧電素子１６０Ａにおいて、下部電極１６２及び圧電体１６４上に上部電極１６６ａを備え、それらの間での電圧の印加により動作する部分を圧電動作部１６８ａ、下部電極１６２及び圧電体１６４上に上部電極１６６ｂを備え、それらの間での電圧の印加により動作する部分を圧電動作部１６８ｂ、下部電極１６２及び圧電体１６４上に上部電極１６６ｃを備え、それらの間での電圧の印加により動作する部分を圧電動作部１６８ｃと表記する。まず、（Ａ）工程において、ポンプ手段１３０Ａは停止状態にある。次いで、（Ｂ）工程において、下部電極１６２と、検査前試料液の流通方向に対して最も上流側の上部電極１６６ａとの間に電圧を印加する。この際、圧電体１６４の上部電極１６６ａと接触する部分が面内方向（ｄ３１方向）に収縮するように電圧を印加する。すると、圧電体１６４のその部分が変位（面内方向への収縮）する一方で、下部電極１６２や第１の基板１１０は面内方向に変位しないため、圧電動作部１６８ａが支持部材１７０及び第１の基板１１０を伴って下側に湾曲する。これにより、ポンプ室１３２Ａの容量が増大すると共にポンプ室１３２Ａが負圧になるため、ポンプ手段１３０Ａは、第１の貯留手段１２０Ａに貯留された検査前試料液を、流路１２２Ａを経由してポンプ室１３２Ａに吸入する。
【００３２】
次いで、（Ｃ）工程において、下部電極１６２と上部電極１６６ａとの間への電圧の印加を維持した状態で、下部電極１６２と上部電極１６６ｂとの間に電圧を印加する。すると、圧電体１６４の上部電極１６６ｂと接触する部分が変位（面内方向への収縮）する一方で、下部電極１６２や第１の基板１１０は面内方向に変位しないため、圧電体１６４の上記部分の変位に伴い圧電動作部１６８ｂが支持部材１７０及び第１の基板１１０を伴って下側に湾曲する。これにより、ポンプ室１３２Ａの容量が更に増大すると共にポンプ室１３２Ａが負圧になるため、ポンプ手段１３０Ａは、流路１２２Ａからポンプ室１３２Ａに更に検査前試料液を吸入する。
【００３３】
続いて、（Ｄ）工程において、下部電極１６２と上部電極１６６ａとの間への電圧の印加を停止し、下部電極１６２と上部電極１６６ｂとの間への電圧の印加を維持した状態で、下部電極１６２と、検査前試料液の流通方向に対して最も下流側の上部電極１６６ｃとの間に電圧を印加する。すると、圧電体１６４の上部電極１６６ａと接触する部分の面内方向への収縮がなくなるため、圧電動作部１６８ａが停止時の状態に戻る。また、圧電体１６４の上部電極１６６ｃと接触する部分が変位（面内方向への収縮）する一方で、下部電極１６２や第１の基板１１０は面内方向に変位しないため、圧電体１６４の上記部分の変位に伴い圧電動作部１６８ｃが支持部材１７０及び第１の基板１１０を伴って下側に湾曲する。これにより、圧電動作部１６８ａに対応するポンプ室１３２Ａの部分の容量が減少して、その部分が加圧されると共に、圧電動作部１６８ｃに対応するポンプ室１３２Ａの部分の容量が増大してその部分が負圧になるため、ポンプ手段１３０Ａは、圧電動作部１６８ａに対応するポンプ室１３２Ａの部分で検査前試料液を押し出す一方で、圧電動作部１６８ｃに対応するポンプ室１３２Ａの部分に検査前試料液を吸入し、検査前試料液をより下流側に移送する。
【００３４】
次に、（Ｅ）工程において、下部電極１６２と上部電極１６６ｂとの間への電圧の印加を停止する。すると、圧電体１６４の上部電極１６６ｂと接触する部分の面内方向への収縮がなくなるため、圧電動作部１６８ｂが停止時の状態に戻る。これにより、圧電動作部１６８ｂに対応するポンプ室１３２Ａの部分の容量が減少して、その部分が加圧されるため、ポンプ手段１３０Ａは、圧電動作部１６８ｂに対応するポンプ室１３２Ａの部分で検査前試料液を押し出し、ポンプ手段１３０Ａの下流にある流路１４０に検査前試料液を移送する。
【００３５】
そして、（Ａ）工程に戻って、下部電極１６２と上部電極１６６ｃとの間への電圧の印加を停止する。すると、圧電体１６４の上部電極１６６ｃと接触する部分の面内方向への収縮がなくなるため、圧電動作部１６８ｃが停止時の状態に戻る。これにより、圧電動作部１６８ｃに対応するポンプ室１３２Ａの部分の容量が減少して、その部分が加圧されるため、ポンプ手段１３０Ａは、圧電動作部１６８ｃに対応するポンプ室１３２Ａの部分で検査前試料液を押し出し、ポンプ手段１３０Ａの下流にある流路１４０に更に検査前試料液を移送する。
【００３６】
上述の各工程を繰り返すことで、本実施形態のポンプ手段１３０Ａにおける圧電素子１６０Ａを全体として蠕動させて（うごめくように）動作することにより、そのポンプ手段１３０Ａを経由して検査前試料液を移送することができる。この場合、例えば上記（Ｅ）工程の開始と共に、上記（Ｂ）工程を開始してもよい。これにより、更に圧電ポンプ１３０Ａによる単位時間当たりの流体の移送量を増大することが可能となる。
【００３７】
第２のポンプ手段１３０Ｂは、第２の圧電素子１６０Ｂを備えるものであって、第２の貯留手段１２０Ｂに貯留された検査前試料液を、流路１２２Ｂを経由してポンプ室（図示せず）に吸入し、更にそのポンプ室から吐出することで流路１４０に移送することができる。本実施形態において、第２のポンプ手段１３０Ｂは第１のポンプ手段１３０Ａと同様の構造及び動作を有するため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００３８】
流路１４０は、第１及び第２のポンプ手段１３０Ａ〜Ｂ及び検査手段１５０と連通している他は、構造体１１２と第２の基板１１４とに包囲されて形成される。流路１４０は、第１のポンプ手段１３０Ａから連通する流路部１４０Ａと、第２のポンプ手段１３０Ｂから連通する流路部１４０Ｂと、それらの流路部１４０Ａ〜Ｂが合流した後の流路部１４０Ｃとを有する。流路部１４０Ｃは図示するように平面形状において蛇行している。流路１４０は、第１及び第２のポンプ手段１３０Ａ〜Ｂから移送される検査前試料液を検査手段１５０に流通すると共に、必要に応じて、検査前試料液を混合したり反応させたりするものである。すなわち、流路１４０は、第１のポンプ手段１３０Ａからの検査前試料液と、その検査前試料液とは異なる種類の第２のポンプ手段１３０Ｂからの検査前試料液とを、流路部１４０Ｃで合流し更に蛇行形状によりそれらの検査前試料液を静的に撹拌する。これにより、それらの検査前試料液の混合又は反応を速やかに進行させることができ、例えばＤＮＡの化学合成や増幅、検査解析に利用することが可能となる。
【００３９】
検査手段１５０は、その部分に検査前試料液を滞留させて、その分析や検査を行うためのものである。検査手段１５０は、流路１４０及び第３のポンプ手段１３０Ｃと連通している他は、第１及び第２の基板１１０及び１１４と構造体１１２とに包囲されて形成される。検査手段は、より正確で精度の高い分析や検査を行うために、検査前試料液を所定時間滞留できるように所定以上の容積を確保することが好ましい。また、検査手段１５０には、ＤＮＡと結合することによりそのＤＮＡの検出を可能とするようなセンサ１５６が備えられると好ましい。
【００４０】
第３のポンプ手段１３０Ｃは、第３の圧電素子１６０Ｃを備えるものであって、検査手段１５０からの検査後試料液を、流路１５２を経由してポンプ室（図示せず）に吸入し、更にそのポンプ室から吐出することで流路１５４に移送することができる。本実施形態において、第３のポンプ手段１３０Ｃは第１のポンプ手段１３０Ａと同様の構造及び動作を有するため、ここでの詳細な説明は省略する。流路１５２は、検査手段１５０及び第３のポンプ手段１３０Ｃと連通している他は、第２の基板１１４と構造体１１２とに包囲されて形成される。
【００４１】
第３の貯留手段１２０Ｃは、第３のポンプ手段１３０Ｃから移送される検査後試料液を貯留するものであり、流路１５４と連通している他は、第１の基板１１０、構造体１１２及び第２の基板１１４に包囲されて形成されている。図示する第３の貯留手段１２０Ｃの形状は略円柱状であるが、検査後試料液を貯留可能な形状であれば、特に限定されない。流路１５４は、第３のポンプ手段１３０Ｃ及び第３の貯留手段１２０Ｃと連通している他は、第２の基板１１４と構造体１１２とに包囲されて形成される。
【００４２】
続いて、本実施形態の化学分析チップ１００の製造方法について説明する。まず、成膜用基板を兼ねる第１の基板１１０を準備し、その第１の基板１１０の下側の主面をエッチング等により加工して、第１、第２及び第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃの下方部分での厚さが薄くなるよう、その部分に下側に開口を有する窪みを形成する。次いで、その第１の基板１１０上の所定位置に第１、第２及び第３の圧電素子１６０Ａ〜Ｃを形成する。圧電素子１６０Ａを例にとって説明すると、まず、第１の基板１１０上に薄膜の下部電極１６２及び薄膜の圧電体１６４をこの順で積層する。より具体的には、まず、第１の基板１１０の表面上に下部電極１６２を、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法又は蒸着法などの気相法により形成し、第１の基板１１０に下部電極１６２を接合する。下部電極１６２の材料は、圧電素子の電極材料として用いられ得るものであれば特に限定されず、例えば白金、金、銅、及びこれらを含む合金が挙げられる。また、下部電極１６２の厚さは、例えば０．０５μｍ〜１．０μｍである。
【００４３】
次いで、下部電極１６２の表面上に薄膜の圧電体１６４を形成する。圧電体１６４の形成方法としては、気相法であれば特に限定されず、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ法又は蒸着法が挙げられる。圧電体１６４の材料は薄膜形成可能な圧電材料であれば特に限定されず、例えば、ＰＺＴ、チタン酸バリウムなどが挙げられる。それらの中でも、優れた圧電特性を示し、入手も容易な観点から、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）が好ましい。圧電体１６４の厚さは、例えば０．５μｍ〜５．０μｍである。
【００４４】
続いて、圧電体１６４の表面上に薄膜の上部電極１６６ａ〜ｃとなる層を、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法又は蒸着法などの気相法により形成する。次いで、上部電極１６６ａ〜ｃとなる層を所望の形状にパターニングする。パターニングの方法は、特に限定されず、例えば、エッチマスクとしてマスクレジストを上部電極１６６ａ〜ｃとなる層の表面上に形成した後に、エッチングによりマスクレジストで被覆されていない上記層の部分を除去し、その後、マスクレジストを除去してもよい。他のパターニングの方法として、レジストパターニング、成膜、不要部分の除去を行うリフトオフ法を用いてもよい。これにより、薄膜の上部電極１６６ａ〜ｃが形成され、下部電極１６２、圧電体１６４及び上部電極１６６ａ〜ｃが積層された領域において薄膜の圧電素子１６０Ａが得られる。上部電極１６６ａ〜ｃの材料は、圧電素子の電極材料として用いられ得るものであれば特に限定されず、例えば白金、金、銅、及びこれらを含む合金が挙げられる。上部電極１６６ａ〜ｃの厚さは、例えば０．０５μｍ〜１．０μｍであってもよい。
【００４５】
第２及び第３の圧電素子１６０Ｂ〜Ｃも、第１の圧電素子１６０Ａと同様にして形成される。
【００４６】
次いで、第１の基板１１０、圧電素子１６０Ａ〜Ｃ及び圧電体１６４の露出した表面上に支持部材１７０を形成する。支持部材１７０の材料は、上述のとおり、具体的には樹脂材料であることが好ましい。支持部材１７０の材料が樹脂材料である場合、まず、その樹脂材料の原料となる樹脂組成物（例えば、樹脂及び／又は単量体と溶媒との混合物）を第１の基板１１０、圧電素子１６０Ａ〜Ｃ及び圧電体１６４の露出した表面上に塗布する。次いで、塗布した樹脂組成物を乾燥などにより固化又は加熱若しくは光照射などにより硬化させる。その後、第１、第２及び第３の貯留手段１２０Ａ〜Ｃ並びに検査手段１５０に対応する部分の樹脂材料を除去する。こうして、第１、第２及び第３の圧電素子１６０Ａ〜Ｃとそれらの圧電素子１６０Ａ〜Ｃを支持する支持部材１７０とを備える構造体１１２を得る。その後、下部電極１６２及び上部電極１６６ａ〜ｃに配線を接続する。
【００４７】
次に、第１の基板１１０の上側の主面の所望の部分をエッチングする。具体的には、第１、第２及び第３の貯留手段１２０Ａ〜Ｃに対応する部分を上側の主面からエッチングして、それらを設けるための窪みを形成する。エッチングの方法は、特に限定されず、例えば、エッチマスクとして所定形状のマスクレジストを第１の基板１１０の表面上に形成した後に、エッチングによりマスクレジストで被覆されていない第１の基板１１０の部分を除去し、その後、マスクレジストを除去してもよい。他のエッチングの方法としては、レジストパターニング、成膜、不要部分の除去を行うリフトオフ法が挙げられる。エッチングとしては、ドライエッチングが好ましく、例えば、反応性ガスエッチング、反応性イオンエッチング、反応性イオンビームエッチング、イオンビームエッチング、反応性レーザービームエッチングが例示される。こうして、第１の基板と構造体１１２とを備える複合体を得る。
【００４８】
一方、第２の基板１１４を準備して、第２の基板１１４の下側の主面をウェットエッチング等によりパターニング加工して所定形状の溝及び窪みを形成する。溝及び窪は、その形状及び位置が、第１、第２及び第３の貯留手段１２０Ａ〜Ｃ、流路１２２Ａ〜Ｂ、１４０、１５２及び１５４、第１のポンプ手段１３０Ａにおけるポンプ室１３２Ａ、第２及び第３のポンプ手段におけるポンプ室、並びに検査手段１５０に対応するように形成する。
【００４９】
次いで、上記複合体と、パターニング加工後の第２の基板１１４とを、位置合わせして接合する。接合は、接着性樹脂を用いてなされてもよい。接着性樹脂の種類としては、複合体と第２の基板１１４とを接合できるものであれば特に限定されないが、例えば、ポリイミド、変性ポリイミド、パリレン、シリコーン系樹脂が挙げられる。こうして、本実施形態の化学分析チップ１００が得られる。
【００５０】
次に、本実施形態の化学分析チップ１００を用いる検査システムについて説明する。図４は、本実施形態の検査システムを示す模式図である。本実施形態の検査システム２００は、化学分析チップ１００の検査手段１５０における試料液を分析するための検出装置２１０と、化学分析チップ１００の第１〜第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃを駆動し制御するための電源及び制御装置２２０と、第１〜第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃの各電極と電源及び制御装置２２０とを接続する配線２３０とを備える。
【００５１】
検出装置２１０としては、試料液における分析対象となる情報を検出できるものであれば特に限定されず、例えば、分析対象となる情報がＤＮＡ解析の場合は、検出装置２１０は一般的な蛍光色素の標識をモニタ解析する方法であってもよい。その他の検出装置２１０としては、例えば、放射性色素や発光色素、磁気マーカーなどを有する酵素作用を検知するセンシング方法が挙げられる。
【００５２】
また、電源及び制御装置２２０は、例えば、駆動回路及びマイクロコンピュータ等を備え、所定の制御プログラム等を実行することによって、第１、第２及び第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃを駆動する。駆動回路は、信号生成部と信号増幅部とを備えてもよく。その駆動回路では、信号生成回路、信号生成ソフトなどの信号生成部において生成した電圧信号を、ピエゾドライバなどの信号増幅部で所定の電圧まで増幅して、上述の各下部電極及び上部電極に配線２３０を介して供給する。各下部電極及び上部電極に電圧信号を供給するタイミングは、マイクロコンピュータによる所定の制御プログラムにより制御される。
【００５３】
次に、本実施形態の化学分析チップ１００に対して、検査システム２００を用いて検査する検査方法について説明する。まず、化学分析チップ１００の第１及び第２の貯留手段１２０Ａ〜Ｂにそれぞれ試料液を供給する。次いで、その化学分析チップ１００を検査システム２００の所定位置に設置する。次に、電源及び制御装置２２０から配線２３０を介して、第１及び第２のポンプ手段１３０Ａ〜Ｂの各電極に所定の電圧を印加して、各ポンプ手段１３０Ａ〜Ｂの駆動を開始する。これにより、第１及び第２の貯留手段１２０Ａ〜Ｂに貯留された検査前試料液が、各ポンプ手段１３０Ａ〜Ｂを経由して、流路１４０に供給される。流路１４０では、第１及び第２の貯留手段１２０Ａ〜Ｂからの検査前試料液が合流して、更に蛇行したその流路１４０により十分に混合される。引き続き、第１及び第２のポンプ手段１３０Ａ〜Ｂを駆動することにより、流路１４０にて混合された検査前試料液が検査手段１５０に供給される。検査手段１５０に検査前試料液が十分に供給されてから第１及び第２のポンプ手段１３０Ａ〜Ｂへの電圧の印加を止めて、それらのポンプ手段１３０Ａ〜Ｂの駆動を停止する。次いで、検出装置２１０により、試料液を分析する。分析が完了するまでの所定時間が経過した後、電源及び制御装置２２０から配線２３０を介して、第３のポンプ手段１３０Ｃの各電極に所定の電圧を印加して、ポンプ手段１３０Ｃの駆動を開始する。これにより、検査後試料液がポンプ手段１３０Ｃを介して、第３の貯留手段１２０Ｃに回収される。検査後試料液の全てが第３の貯留手段１２０Ｃに回収されて貯留されたら、第３のポンプ手段１３０Ｃへの電圧の印加を止めて、そのポンプ手段１３０Ｃの駆動を停止する。
【００５４】
以上説明した本実施形態の化学分析チップ１００においては、第１、第２及び第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃを駆動するアクチュエータとして薄膜の圧電素子（例えば圧電素子１６０Ａ）が備えられている。薄膜の圧電素子は共振周波数が高いため、高速駆動させることにより試料液の脈動を抑制することができる結果、精度の高い分析・検査結果を示すことができる。また、化学分析チップ１００の上記各ポンプ手段１３０Ａ〜Ｃに備えられる薄膜の圧電素子は、厚み方向（ｄ３３方向）の変位よりも面内方向（ｄ３１方向）の変位が支配的になり、その面内方向の変位に伴い厚み方向下側に湾曲し、それによりポンプ室（例えばポンプ室１３２Ａ）内の容積及び圧力の増減を可能としている。これは、厚み方向の変位によりポンプ室内の容積及び圧力を増減する厚膜の圧電素子と比較して、印加した電圧をより効率的に試料液の移送量に変換することができるという利点を実現するものである。
【００５５】
また、化学分析チップは取り扱う試料液がごく微量になるほど、そのチップを大量に製造する場合、それぞれのチップにおいて、特にポンプ手段が一定の品質を備えるように製造するのは困難となる。ところが、本実施形態においては、圧電素子を薄膜にする、すなわち気相法で形成することにより、圧電素子の接合不良や位置ズレに起因するポンプ手段の品質の低下を防止することができる。
【００５６】
さらに、本実施形態の化学分析チップ１００は、試料液の吸入側（上流側）に配置された圧電素子から吐出側（下流側）に配置された圧電素子に向かって順に電圧を印加することが可能な各ポンプ手段１３０Ａ〜Ｃを備える。それらのポンプ手段１３０Ａ〜Ｃでは、複数の圧電素子を全体として蠕動様に動作させて試料液を移送できる。そのため、ポンプ手段１３０Ａ〜Ｃの上下流に試料液の移送量を制御するためのバルブ（弁）を設ける必要がなく、チップ１００の構造を単純なものにでき、チップ１００の更なる小型化及び薄膜化が可能となり、安価なものを大量に製造することができる。また、ポンプ手段１３０Ａ〜Ｃがバルブの役割を兼ねているため、部材数が少なくてすみ、かつ、各部材間を接続する流路も少なくできるため、ポンプ手段とバルブとを別々に設けた場合と比較して、各部材間の距離が短くなって応答性が良好になり、チップ内で実効的な試料液の圧力制御が容易となる。また、各ポンプ手段１３０Ａ〜Ｃでは、上流側の圧電素子を変位させて試料液を押し出す（吐出する）と共に、下流側の圧電素子を変位させて試料液を吸入することで、試料液を移送する。このように、試料液の吐出と吸入とを適切に組み合わせることで、ポンプ手段１３０Ａ〜Ｃは更に大きな効率を示し、より小さな電圧の印加であっても、試料液のより大きな移送量を実現することができるので、分析・検査時間の更なる短縮化が可能となる。
【００５７】
また、本実施形態の化学分析チップ１００は、試料液を貯留する各貯留手段１２０Ａ〜Ｃを備えることにより、試料液を注入した状態でその化学分析チップ１００を取り扱うことができ、例えば、検査システム２００へ化学分析チップ１００と試料液とを一度に設置したり取り外したりすることができる等、取扱い性が向上する。
【００５８】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上記本実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば、上記第１の本実施形態における第１、第２及び第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃの構造が互いに異なっていてもよい。
【００５９】
また、本発明の化学分析チップに備えられるポンプ手段は、上記本実施形態では、試料液の流通方向に沿って上流側から下流側に順に圧電体の部分を駆動することで、試料液を上流から下流に移送するものであったが、ポンプ手段の駆動方法はこれに限定されない。図５及び６は、本発明に係るポンプ手段の駆動方法を模式的に示す平面図である。図示するポンプ手段は、上記本実施形態と同様に、試料液の流通方向に沿って配設された３つの上部電極に対応する３つの圧電動作部が独立に動作できるものである。図５は、そのようなポンプ手段を１つ動作する場合を示しており、図６は、そのようなポンプ手段を２つ並列に配置して動作する場合を示している。
【００６０】
図５の（Ａ）は、上記本実施形態と同様に、上流側から下流側に順に圧電動作部を駆動することで、ポンプ手段が試料液を上流から下流に移送するものである。（Ｂ）は、下流側から上流側に順に圧電動作部を駆動することで、ポンプ手段が試料液を下流から上流に移送するものである。このような駆動方法は、例えば、下流側に移送した試料液を上流側に逆流させたい場合に有用である。（Ｃ）は、まず、上流側から下流側に順に圧電動作部を駆動させ、最下流の圧電動作部を駆動させた後、直ちに下流側から上流側に順に圧電動作部を駆動させ、最上流の圧電体の部分を駆動させた後、直ちに再び上流側から下流側に順に圧電動作部を駆動させ、これを繰り返す駆動方法である。これにより、ポンプ手段において、試料液を効率的に混合撹拌することが可能となる。さらに（Ｄ）は、それぞれの圧電動作部をランダムに駆動する駆動方法である。これによっても、ポンプ手段において、試料液を効率的に混合撹拌することが可能となる。
【００６１】
図６の（Ａ）は、並列に配置した２つのポンプ手段の上流に分岐した流路が設けられている場合を示す。この場合、２つのポンプ手段を同時に駆動し、それぞれ、上流側から下流側に順に圧電動作部を駆動する。このとき、２つのポンプ手段に印加する電圧や、圧電動作部の駆動シーケンスを変化させることで、それぞれのポンプ手段による試料液の移送量（移送割合）を任意に変更することが可能となる。また、（Ｂ）は、並列に配置した２つのポンプ手段の下流の流路が合流し、そこに貯留手段が設けられ終端している場合である。この場合、２つのポンプ手段を同時に駆動し、それぞれ、上流側から下流側に順に圧電動作部を駆動すると、それらのポンプ手段により移送された試料液が上記貯留手段に滞留し、更に２つのポンプ手段の駆動を続けることで貯留手段での試料液の圧力が上昇する。これにより、温度制御と併用するなどして化学反応の時間を短縮したり制御したりすることが可能となるので、かかる加圧方法は、薬品・化学製品開発における水素化反応、重合反応、カルボニル化反応の付加圧合成の実験に用いることができる。（Ｃ）は、並列に配置した２つのポンプ手段の下流の流路が合流し、更に合流した後の下流の流路に、圧電動作部が１つのみのポンプ手段を備える場合である。この場合、３つのポンプ手段を同時に駆動し、並列に配置したポンプ手段についてそれぞれ、上流側から下流側に順に圧電動作部を駆動すると、それらのポンプ手段により移送された試料液が下流で合流する。合流した後の試料液は、更に圧電動作部が１つのみのポンプ手段に供給される。圧電動作部が１つのみのポンプ手段は、その上下流に弁が設けられていないと、その駆動により、試料液を移送するよりもむしろ試料液を上下に振動する方が支配的になる。したがって、これにより、試料液の効率的な混合撹拌が可能となる。
【００６２】
このように、本発明の化学分析チップにおけるポンプ手段はその配置及び駆動方法によって、様々な動作を行うことが可能である。特に、従来の化学分析チップにおいて、その小型化を図ろうとすると、ポンプの能力不足に起因して、試料液のレイノルズ数が極端に低くなる。ところが、本発明の化学分析チップによると、上述から明らかなように、試料液を振動して乱流を発生させることにより、効率的な試料液の混合撹拌が可能となる。したがって、試料液の迅速かつ十分な混合及び反応に有効な手段となり得、化学分析チップとしての機能性が高まる。
【００６３】
また、本発明の化学分析チップは、図７に示すような構成を有していてもよい。図７は、第２の本実施形態の化学分析チップを模式的に示す平面図である（ただし、第２の基板を透視している。）。この本実施形態の化学分析チップ３００は、検査前試料液を貯留する第１の貯留手段３２０Ａと、検査前試料液を流通する流路３４０と、検査前試料液を検査する検査手段３５０と、ポンプ手段３３０の上流で検査後試料液を流通する流路３４２と、検査後試料液を移送するポンプ手段３３０と、ポンプ手段３３０の下流で検査後試料液を流通する流路３４４と、検査後試料液を貯留する第２の貯留手段３２０Ｂとを備える。第１の貯留手段３２０Ａと検査手段３５０とは、流路３４０を介して連通しており、検査手段３５０とポンプ手段３３０とは、流路３４２を介して連通しており、ポンプ手段３３０と第２の貯留手段３２０Ｂとは、流路３４４を介して連通している。
【００６４】
この化学分析チップ３００において、第１の貯留手段３２０Ａ、検査手段３５０、ポンプ手段３３０及び第２の貯留手段３２０Ｂは、それぞれ、第１の本実施形態における第１の貯留手段１２０Ａ、検査手段１５０、第３のポンプ手段１３０Ｃ及び第３の貯留手段１２０Ｃと同様のものである。また、この本実施形態に係る検査前試料液を流通する流路３４０は、蛇行しておらず直線状となっている。この本実施形態の化学分析チップ３００は、流路が合流したり蛇行していなかったりして、上記第１の本実施形態と対比して、単純な構成を有しているため、２種以上の試料液を混合したり反応したりする必要がない場合に有用である。なお、この本実施形態の化学分析チップ３００においては、ポンプ手段３３０を駆動することにより、系内の全ての試料液の移送を行う。
【００６５】
さらに、本発明の化学分析チップは、図８に示すような構成を有していてもよい。図８は、第３の本実施形態の化学分析チップを模式的に示す平面図である（ただし、第２の基板を透視している。）。この本実施形態の化学分析チップ４００は、試料液を貯留する第１及び第２の貯留手段４２０Ａ及び４２０Ｂと、試料液を移送する第１及び第２のポンプ手段４３０Ａ及び４３０Ｂと、試料液を流通する流路４４０と、試料液を検査する第１の検査手段４５０Ａと、試料液を移送する第３のポンプ手段４３０Ｃと、試料液を貯留する第３の貯留手段４２０Ｃとを備える。さらに、化学分析チップ４００は、第１のポンプ手段４３０Ａから移送される試料液を第２のポンプ手段４３０Ｂから移送される試料液とを混合すると共に検査する第２の検査手段４５０Ｂと、流路４４０におけるヒータ及び温度センサ等のセンサを内蔵する加熱手段４６０とを備える。第１の貯留手段４２０Ａと第１のポンプ手段４３０Ａとは、流路４２２Ａを介して連通しており、第２の貯留手段４２０Ｂと第２のポンプ手段４３０Ｂとは、流路４２２Ｂを介して連通しており、第１のポンプ手段４３０Ａと第２の検査手段４５０Ｂとは、流路４２４Ａを介して連通しており、第２のポンプ手段４３０Ｂと第２の検査手段４５０Ｂとは、流路４２４Ｂを介して連通している。また、第２の検査手段４５０Ｂと第１の検査手段４５０Ａとは、流路４４０を介して連通しており、第１の検査手段４５０Ａと第３のポンプ手段４３０Ｃとは、流路４２６を介して連通しており、第３のポンプ手段４３０Ｃと第３の貯留手段４２０Ｃとは、流路４２８を介して連通している。
【００６６】
この化学分析チップ４００において、第１、第２及び第３の貯留手段４２０Ａ〜Ｃ、１、第２及び第３のポンプ手段４３０Ａ〜Ｃ、流路４４０並びに第１の検査手段４５０Ａは、それぞれ、第１の本実施形態における第１、第２及び第３の貯留手段１２０Ａ〜Ｃ、第１、第２及び第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃ、流路１４０並びに検査手段１５０と同様のものである。
【００６７】
第２の検査手段４５０Ｂは、試料液の分析や検査を行うためのものである。第１の検査手段４５０Ａでは、流路４４０を通過して十分な混合や反応の後の試料液が分析されるのに対して、第２の検査手段４５０Ｂでは、流路４４０を通過する前の十分な混合や反応の前の試料液が分析される。したがって、第１及び第２の検査手段４５０Ａ〜Ｂにおける分析結果を対比することによって、流路４４０での混合前後での変化、反応前後の比較、経時変化などを調べることができる。第２の検査手段４５０Ｂも、第１の検査手段４５０Ａと同様に、流路４２２Ａ及びＢ、流路４４０と連通している他は、第１及び第２の基板と構造体（以上図示せず）とに包囲されて形成される。第２の検査手段４５０Ｂは、より正確で精度の高い分析や検査を行うために、試料液を所定時間滞留できるように所定以上の容積を確保することが好ましい。また、第２の検査手段４５０Ｂには、ＤＮＡと結合することによりそのＤＮＡの検出を可能とするようなプローブ（図示せず）が備えられると好ましい。また、加熱手段４６０は、流路４４０において混合撹拌された試料液を所定の温度に加熱して、そこでの反応を促進するためのものである。加熱手段４６０がヒータと共に温度センサ等のセンサを内蔵することで、所望の温度に制御しやすくなり、反応の制御が容易となる。
【００６８】
また、例えば、上記第１の本実施形態において、支持部材１７０は圧電素子１６０Ａの上側（ポンプ室側）に配置されたが、支持部材は圧電素子の下側（ポンプ室とは逆側）に配置されてもよく、省略されてもよい。ただし、それらの場合、圧電素子が直接流体と接触することとなり、圧電素子の劣化に繋がりやすくなるため、支持部材は圧電素子のポンプ室側に配置されることが好ましい。また、上記本実施形態において、圧電素子１６０Ａは、１つの下部電極１６２、１つの圧電体１６４及び３つの上部電極１６６ａ〜ｃを積層して備えるものであったが、上部電極の数はもちろん５つに限定されるものではなく、また、１つの下部電極１６２上に、複数の圧電体と複数の上部電極とを順に積層して備えるものであってもよく、複数の下部電極のそれぞれに圧電体及び上部電極を順に積層して備えるものであってもよい。さらに、上記本実施形態の第１、第２及び第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃのいずれか１つ以上において、構造体１１２と第２の基板１１４とが接合することなく直接接触してもよい。このようなポンプ手段は、動作していないときのポンプ室の容量が実質的にゼロとなる。このポンプ手段は、動作していないときでもポンプ室に空間があって所定の容量を有するようなポンプと比較すると、試料液を吸入する際の容量の増大程度（△Ｖ）が大きくなるため、試料液の移送効率が更に高くなる。
【００６９】
さらに、別の本実施形態において、第１、第２及び第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃのいずれか１つ以上が、ただ一つの下部電極とただ１つの圧電体とただ１つの上部電極とを備えるただ一つの圧電素子を有するものであってもよい。その場合、ポンプ手段が試料液を効率的に移送するために、上流側の流路及び下流側の流路に、別々に開閉できる弁を備えることが好ましい。また、各貯留手段、検査手段及び上部電極の平面形状は略円形でなくてもよく、例えば卵の断面形や楕円、矩形であってもよい。さらには、上記第１の本実施形態において、第１の基板１１０は、第１、第２及び第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃの下方部分での厚さが薄くなるよう、その部分に下側に開口を有する窪みを形成するものであるが、第１の基板がその部分で貫通孔を形成し、第１、第２及び第３のポンプ手段１３０Ａ〜Ｃの下側の表面が露出してもよい。
【００７０】
また、上記第１の本実施形態において、第２の基板１１４には、ポンプ室１３２Ａを各圧電動作部１６８ａ〜ｃ毎に仕切るよう、下側に突出した突出部が設けられていてもよい。これらの突出部の下面は、ポンプ手段１３０Ａが作動していないときに、支持部材１７０の上面と直接接触することにより、ポンプ室１３２Ａを仕切る。すなわち、ポンプ室１３２Ａは、各圧電動作部１６８ａ〜ｃ毎の部分的なポンプ室を有してもよい。
【００７１】
さらには、本発明の化学分析チップは貯留手段を備えていなくてもよい。この場合、例えば、外部の貯留手段と本発明の化学分析チップを互いに連通可能なように接続することで、上記本実施形態の化学分析チップと同様にして用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明の化学分析チップは、試料液の脈動を抑制し、精度の高い検査結果を示すことのできるので、医療診断、創薬、ＤＮＡ解析、環境検査、食品品質検査など、様々な分野で利用可能性があり、これらのうち、特に医療オンサイトの診断や創薬実験、ＤＮＡ解析などの検査システムに利用可能性がある。
【符号の説明】
【００７３】
１００、３００、４００…化学分析チップ、１１０…第１の基板、１１２…構造体、１１４…第２の基板、１２０Ａ〜Ｃ、３２０Ａ〜Ｂ、４２０Ａ〜Ｃ…貯留手段、１４０、３４０、４４０…流路、１３０Ａ〜Ｃ、３３０、４３０Ａ〜Ｃ…ポンプ手段、１３２Ａ…ポンプ室、１５０、３５０、４５０Ａ〜Ｂ…検査手段、１６０Ａ〜Ｃ…圧電素子、１６２…下部電極、１６４…圧電体、１６６ａ〜ｃ…上部電極、１７０…支持部材。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料液を移送するポンプ手段と、前記試料液を流通する流路と、前記試料液を検査する検査手段と、を備える化学分析チップであって、
前記ポンプ手段は、薄膜の圧電素子と前記圧電素子を支持する支持部材とを備える構造体と、前記構造体を挟む第１及び第２の基板と、を含有し、前記第２の基板と前記構造体とによって囲まれたポンプ室を有する、化学分析チップ。
【請求項２】
前記構造体は、前記試料液の流通方向に沿って配設された２つ以上の前記圧電素子を備える、請求項１に記載の化学分析チップ。
【請求項３】
前記ポンプ手段が動作していないとき、前記ポンプ室を囲む前記構造体と前記第２の基板とが直接接触している、請求項１又は２に記載の化学分析チップ。
【請求項４】
前記試料液を貯留する貯留手段を更に備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の化学分析チップ。
【請求項５】
それぞれ試料液を貯留する第１及び第２の貯留手段と、前記第１及び第２の貯留手段からそれぞれ前記試料液を吸入及び吐出により移送する第１及び第２のポンプ手段と、前記第１及び第２のポンプ手段から吐出された前記試料液を合流させ、かつ合流した前記試料液を静的に混合する流路と、前記流路を通過した前記試料液を検査する検査手段と、前記検査手段で検査された後の前記試料液を吸入及び吐出により移送する第３のポンプ手段と、前記第３のポンプ手段から吐出された前記試料液を貯留する第３の貯留手段と、を備える化学分析チップであって、
前記第１、第２及び第３のポンプ手段はいずれも、薄膜の圧電素子と前記圧電素子を支持する支持部材とを備える構造体と、前記構造体を挟む第１及び第２の基板と、を含有し、前記第２の基板と前記構造体とによって囲まれたポンプ室と、を有する、化学分析チップ。
【請求項１】
試料液を移送するポンプ手段と、前記試料液を流通する流路と、前記試料液を検査する検査手段と、を備える化学分析チップであって、
前記ポンプ手段は、薄膜の圧電素子と前記圧電素子を支持する支持部材とを備える構造体と、前記構造体を挟む第１及び第２の基板と、を含有し、前記第２の基板と前記構造体とによって囲まれたポンプ室を有する、化学分析チップ。
【請求項２】
前記構造体は、前記試料液の流通方向に沿って配設された２つ以上の前記圧電素子を備える、請求項１に記載の化学分析チップ。
【請求項３】
前記ポンプ手段が動作していないとき、前記ポンプ室を囲む前記構造体と前記第２の基板とが直接接触している、請求項１又は２に記載の化学分析チップ。
【請求項４】
前記試料液を貯留する貯留手段を更に備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の化学分析チップ。
【請求項５】
それぞれ試料液を貯留する第１及び第２の貯留手段と、前記第１及び第２の貯留手段からそれぞれ前記試料液を吸入及び吐出により移送する第１及び第２のポンプ手段と、前記第１及び第２のポンプ手段から吐出された前記試料液を合流させ、かつ合流した前記試料液を静的に混合する流路と、前記流路を通過した前記試料液を検査する検査手段と、前記検査手段で検査された後の前記試料液を吸入及び吐出により移送する第３のポンプ手段と、前記第３のポンプ手段から吐出された前記試料液を貯留する第３の貯留手段と、を備える化学分析チップであって、
前記第１、第２及び第３のポンプ手段はいずれも、薄膜の圧電素子と前記圧電素子を支持する支持部材とを備える構造体と、前記構造体を挟む第１及び第２の基板と、を含有し、前記第２の基板と前記構造体とによって囲まれたポンプ室と、を有する、化学分析チップ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１２２８５８（Ｐ２０１１−１２２８５８Ａ）
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７８９００（Ｐ２００９−２７８９００）
【出願日】平成２１年１２月８日（２００９．１２．８）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月８日（２００９．１２．８）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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