化学分析装置
【課題】デッドボリュームが極めて小さいマイクロバルブを有するバルブ装置を用いた化学分析装置を提供する。
【解決手段】流体が移動可能な複数の第１の流路２１を有する第１の部材１１、第１の部材１１に隣接し、複数の第１の流路２１に連通可能な第２の流路２２を有する第２の部材２１、第２の部材１２に隣接し、複数の第２の流路２２のそれぞれに連通可能な第３の流路２３を有する第３の部材１３を備え、第１〜第３の部材１１、１２、１３が相対的に移動することにより、複数の第１の流路２１の一つと複数の第２の流路２２の一つを連通させるバルブ装置と、第３の部材１３において第３の流路２３に連結され、複数の第１の流路２１の一つから複数の第２の流路２２の一つを通って第３の流路２３内を流れる流体に物理的あるいは化学的処理を行う反応部２５とを備えることを特徴とする化学分析装置を備える。
【解決手段】流体が移動可能な複数の第１の流路２１を有する第１の部材１１、第１の部材１１に隣接し、複数の第１の流路２１に連通可能な第２の流路２２を有する第２の部材２１、第２の部材１２に隣接し、複数の第２の流路２２のそれぞれに連通可能な第３の流路２３を有する第３の部材１３を備え、第１〜第３の部材１１、１２、１３が相対的に移動することにより、複数の第１の流路２１の一つと複数の第２の流路２２の一つを連通させるバルブ装置と、第３の部材１３において第３の流路２３に連結され、複数の第１の流路２１の一つから複数の第２の流路２２の一つを通って第３の流路２３内を流れる流体に物理的あるいは化学的処理を行う反応部２５とを備えることを特徴とする化学分析装置を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微量な化学物質の反応や合成分析を行うマイクロチップとして用いられる、バルブ装置を用いた化学分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、健康や環境などの分析に用いるサンプルや試薬量の極小化、反応の高速化が可能なことからマイクロチップにおけるマイクロ空間で化学反応を行うことが注目を集めている。また、反応や分析の更なる高度化のためにマイクロチップへのバルブの搭載が望まれている。
【０００３】
これまでに、マイクロチップへのバルブの実装形態として、いくつかの方法が提案されている。その中の1つに、メンブレンを変形させることによりマイクロチップ中の微細流路を塞ぐ方法が開発されている（例えば、非特許文献１参照。）。メンブレン方式では、ＰＤＭＳなどの耐薬品性が高く軟らかい材料からなるメンブレンを、微細流路を塞ぐように空圧などで押し当てることにより、微細流路を流れる流体の流れを止めることが可能である。
【０００４】
また、その他のマイクロチップへのバルブの実装形態として、スライドゲート方式も開発されている（例えば、非特許文献２参照。）。スライドゲート方式では、微細流路にゲートとなる部材を挿入することにより微細流路を流れる流体の流れを止めることが可能である。
【非特許文献１】ウィリアム・エイチ・グロヴァー（William H. Grover）、他４名、「微小液体分析装置に使用されるＬＳＩにおける実用的なバルブ及びポンプ」（“Practical Valves and Pumps for Large-Scale Integration into Microfluidic Analysis Devices”）、μTAS２00２（２00２）、pp.136-138
【非特許文献２】アルベルト・ピー・ピサノ（Albert P. Pisano）、他１名、「低漏水マイクロゲートバルブ」（”Low-Leakage Micro Gate Valve”）、 Transducers‘03、Berkley USA、２003年6月11日、pp.143-146
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、メンブレン方式のバルブでは、メンブレンを変形させるために、微細流路周辺にメンブレン及びメンブレンを駆動させるための機構を設置する必要があり、このため、微細流路中に、流体の流れに対して不必要に流路幅が広くなった部分（以下において、「デッドボリューム」という。）が発生する。このデッドボリュームが存在することにより、異種の液体を流す場合にコンタミネーションの原因となってしまう。また、メンブレンが変形して微細流路を塞ぐ際に、微細流路に液体を押し流してしまったり、メンブレンが変形して微細流路を解放する際に、微細流路の流れを引き戻してしまったりする現象が発生することがあり、微細流路内の流れを制御する際の障害となっていた。
【０００６】
一方、スライドゲート式のバルブでは、ゲート開閉による微細流路を流れる液体の流れの停止（ストップバルブ）の機能しか実現することができない。また、ゲートを開けた際には、微細流路を流れる流体がゲート部分に流れ込むため、この部分がデッドボリュームとなり、異種の液体を流す際にコンタミネーションを発生させる問題点があった。
【０００７】
そこで、本発明は上記の問題点に鑑み、デッドボリュームが極めて小さいマイクロバルブを有するバルブ装置を用いた化学分析装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の特徴は、（イ）流体が移動可能な複数の第１の流路を有する第１の部材、第１の部材に隣接し、複数の第１の流路に連通可能な第２の流路を有する第２の部材、第２の部材に隣接し、第２の流路に連通可能な第３の流路を有する第３の部材を備え、第１の部材、第２の部材及び第３の部材が相対的に移動することにより、複数の第１の流路の一つと複数の第２の流路の一つを連通させ、また、複数の第１の流路のそれぞれを流れる流体の流れを第２の部材の第1の部材との第１の隣接面により停止させ、複数の第２の流路のそれぞれを流れる流体の流れを第３の部材の第２の部材との第２の隣接面により停止させるバルブ装置と、（ロ）第３の部材において第３の流路に連結され、複数の第１の流路の一つから複数の第２の流路の一つを通って第３の流路内を流れる流体に物理的あるいは化学的処理を行う反応部とを備える化学分析装置であることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、デッドボリュームが極めて小さいマイクロバルブを有するバルブ装置を用いた化学分析装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には、同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１１】
（バルブ装置）
本発明の実施形態に係るバルブ装置１は、図１に示すように、流体が移動可能な第１の微細流路２１を有する第１の部材１１と、第１の部材１１に隣接し、第１の流路１１に連通可能な第２の微細流路２２を有する第２の部材１２と、第２の部材１２に隣接し、第２の微細流路２２に連通可能な第３の微細流路２３を有する第３の部材１３と備える。そして、第１の部材１１と第２の部材１２とが相対的に移動することにより、第１の微細流路２１と第２の微細流路２２を連通させ、また、第1の微細流路２１を流れる流体の流れを第２の部材１２の第１の隣接面により停止させるようにする。また、第２の部材１２と第３の部材１３とが相対的に移動することにより、第２の微細流路２２と第３の微細流路２３を連通させ、また、第２の微細流路２２を流れる流体の流れを第３の部材１３の第２の隣接面により停止させるようにする。
【００１２】
図１に示すバルブ装置１の大きさは、概ね数〜数十ｍｍオーダであり、いわゆるマイクロチップと呼ばれる。第１の部材１１、第２の部材１２及び第３の部材の材質としては、石英等のガラス材料やポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）等のシリコンゴムあるいはポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等のアクリル樹脂などが使用可能である。更に、ガラスエポキシ樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）やポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂、シリコン等の半導体材料、金属等でも構わない。
【００１３】
第１の部材１１上には、試料導入孔５、第１の微細流路２１が設けられ、第２の部材１２上には、第２の微細流路２２が設けられ、第３の部材１３上には、第３の微細流路２３、試料導出孔６が設けられる。微細流路の幅、深さは１μｍ〜５ｍｍが好ましい。５ｍｍ以上の幅としてもよいが、集積密度が低下し、マイクロチップとしての機能が薄くなる。加工技術が許せば、１μｍ以下の幅も可能であるが、混合、反応、分析を行う上での操作性や分析感度の点から現実的ではない。従って、微細流路の幅、深さは、マイクロチップとしての集積密度、分析感度や製造の容易性を考慮すれば２０μｍ〜１ｍｍ程度にすればよい。第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３が、図１の平面に対して上下方向に相対移動することにより、第１の微細流路２１と第２の微細流路２２、第２の微細流路２２と第３の微細流路２３は、それぞれ分離したり結合したりする。以下の説明において、「上下方向」など方向を指し示す記述は、説明に用いる図面に対しての移動方向を指す。第１の微細流路２１、第２の微細流路２２、第３の微細流路２３が結合している場合は、試料導入孔５より導入された試料は、第１の微細流路２１、第２の微細流路２２及び第３の微細流路２３を通過し、試料導出孔６から排出される。第１の微細流路２１と第２の微細流路２２が分離されている場合は、試料導入孔５より導入された試料は、第１の微細流路２１を通過し、第２の部材２２の側面部においてその流れを止められる。また、第２の微細流路２２と第３の微細流路２３が分離されている場合は、第２の微細流路２２を通過した試料は、第３の部材２３の側面部においてその流れを止められる。第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３は、スライド移動することにより流体の流れを止めるスライドバルブ（マイクロバルブ）の役割を果たす。このように、第１部材１１、第２の部材１２及び第３の部材１３が上下方向に相対移動することにより、第１の微細流路２１、第２の微細流路２２及び第３の微細流路２３が分離・結合し、微細流路内の流体の流れを制御することができる。
【００１４】
また、図１（ｂ）は、図１（ａ）の長辺方向における断面図である。図１（ａ）において、平面に対して上下方向にスライド移動すると説明したが、図１（ｂ）に示すように、断面に対して上下方向にスライド移動するとしても、第１の微細流路２１、第２の微細流路２２及び第３の微細流路２３の分離・結合が可能であり、微細流路内の流体の流れを制御することができる。
【００１５】
また、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１は、図２に示すように、第１の部材１１は、第２の部材１２の周囲を囲む形状であり、第２の微細流路２２を流れる流体の流れを第１の部材１１の第３の隣接面により停止する構造としてもよい。
【００１６】
第１の部材１１上には、試料導入孔５、試料導出孔６、第１の微細流路２１が設けられ、第２の部材１２上には、第２の微細流路２２が設けられている。第１の部材１１、第２の部材１２が、図２の平面に対して上下方向に相対移動することにより、第１の微細流路２１及び第２の微細流路２２は、分離したり結合したりする。例えば、図２（ａ）に示すように、第１の微細流路２１と第２の微細流路２２が結合されている場合は、試料導入孔５より導入された試料は、第１の微細流路２１及び第２の微細流路２２を通過し、試料導出孔６から排出される。第１の部材１１上に設けられ、第２の微細流路２２と試料導出孔６を連結する流路を「第４の微細流路」という。一方、図２（ｂ）に示すように、第１の微細流路２１と第２の微細流路２２が分離されている場合は、試料導入孔５より導入された試料は、第１の微細流路２１を通過し、第２の部材２２の第１の隣接面においてその流れを止められる。このように、第１部材１１、第２の部材１２が上下方向に相対移動することにより、第１の微細流路２１、第２の微細流路２２が分離・結合し、微細流路内の流体の流れを制御することができる。
【００１７】
また、図２（ａ）では、第２の部材１２の中央部に第２の微細流路２２を設け、第２の部材１２が第１の部材１１の中央に位置したときに、第１の微細流路２１と第２の微細流路２２が連結されるが、第２の微細流路２２を第２の部材の中央より端に近い部分に設け、第２の部材２２が図２（ｂ）に示す位置に移動したときに、第１の微細流路２１と第２の微細流路２２が連結されるものとしてもよい。
【００１８】
また、図２（ｃ）に示すように、マイクロチップ１は、孔部１５の上側面側に第２の部材１２が移動した際に、上側の第１の微細流路２１と上側の第２の微細流路２２が接続される形状とし、孔部１５の下側面側に第２の部材１２が移動した際に、下側の第１の微細流路２１と下側の第２の微細流路２２が接続される形状としてもよい。
【００１９】
更に、図２（ｄ）に示すように、第２の部材１２は四側面が第１の部材１１により囲まれる必要はなく、三側面が囲まれる形状としても構わない。
【００２０】
また、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１は、図３に示すように、第２の部材１２が回転移動することにより、第１の微細流路１１を流れる流体の流れを第２の部材１２の側面により停止する構造としてもよい。
【００２１】
第１の部材１１上には、試料導入孔５、試料導出孔６、第１の微細流路２１が設けられ、第２の部材１２上には、第２の微細流路２２が設けられている。図３では、図１で説明した部材の相対移動が、上下方向のスライド移動ではなく、回転移動である場合を示す。第２の部材１２が第１の部材１１に対し回転することにより、微細流路の分離・結合が可能であり、微細流路内の流体の流れを制御することができる。
【００２２】
（バルブ装置の平行度、間隙、粗さ）
次に、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１の部材間の平行度、間隙、粗さなどについて説明する。
【００２３】
本発明の実施形態に係るマイクロチップ１は、図４に示すように、第２の部材１２の第２の微細流路２２断面を有する１組の側面が平行であることが望ましい。また、この平行度は、１分以下が望ましい。平行度が悪いと、第２の部材１２を上下方向にスライド相対移動させた場合に、第２の部材１２が第１の部材１１と第３の部材１３に噛み合ってしまい、動かなくなる不具合が生じる可能性がある。また、平行度が悪いと、第２の部材１２を上下方向にスライド相対移動させた場合に、第２の部材１２と第１の部材１１、第３の部材１３の間の間隙が広がり、微細流路を流れる液体が間隙部に漏れてしまう不具合が生じる可能性がある。
【００２４】
また、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１は、図５に示すように、第１の部材１１と第２の部材１２の相対移動時に最も近接している側面の最小間隙Ｌが１０ｎｍ〜３μｍであることが望ましい。相対移動する部材は間隙が大きすぎると相対移動させるための力が小さくてすむが、微細流路を流れる流体の漏れが大きくなる。逆に間隙が小さいと漏れ量は少なくなるが、相対移動に必要な力が大きくなり、場合によっては部材を破壊してしまう可能性がある。そこで、相対移動する部材の間の間隙Ｌは、１０ｎｍ〜３μｍ程度が望ましい。
【００２５】
図５では横方向についての間隙について記したが、縦方向についての間隙についても同様である。即ち、後述する図７（ｃ）における第２の部材１２とガイド機構３１間の間隙についても、１０ｎｍ〜３μｍ程度が望ましい。
【００２６】
また、図７（ｂ）に示したように膜を備える場合には、部材間の間隙は、１０ｎｍ〜３０μｍ程度が望ましい。間隙が広くなると、微細流路を流れる流体が第２の部材１２と第１の部材１１、第３の部材１３の間隙部に漏れてしまう不具合が生じる可能性がある。但し、部材表面上に膜を備え、膜を押しつぶす方向に部材を加圧した場合は、部材間の間隙をなくしても構わない。
【００２７】
また、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１は、図６に示すように、第１の部材１１と第２の部材１２の相対移動時に最も近接している側面の表面粗さが、算術平均粗さをＲａとして、０．０１μｍ≦Ｒａ≦３μｍであることが望ましい。摺動する部分の表面粗さは小さいほど液体の漏れ量が少なくなる。しかし、表面粗さが小さいと材料によっては部材同士が固着するスティクションが発生してしまう。そのため摺動する部分には適当な表面粗さが必要であり、算術平均粗さＲａは、０．０１〜３μｍ程度が望ましい。また、表面粗さ加工は、摺動する両面に行ってもよく、片面に行ってもよい。尚、図７において後述するように膜を備えた場合は、この表面粗さは必要ない場合もある。
【００２８】
（バルブ装置の部材表面上への膜の具備）
次に、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１の部材の面上に弾性体からなる膜を備えた例について説明する。
【００２９】
図７（ｂ）は、図７（ａ）の断面図であり、第２の部材１２の周囲に弾性体の膜３０を備えた場合について示している。第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３をガラスなどの脆性材料で製作した場合、第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３の間隙を狭くして流体の漏れを少なくすることには限界があるため、若干の漏れやそれに起因する流路間のクロスコンタミネーションが生じてしまう可能性がある。そこで、第２の部材１２の周囲に１〜１００μｍ程度の弾性体からなる膜を備え、第１の部材１１、第３の部材１３にて第２の部材１２の周りに備えられた膜３０を押しつぶすことによりシールし、漏れを少なくすることができる。
【００３０】
図７（ｃ）は、第２の部材１２の上下方向のギャップを調整するために膜３０を備えた場合の例を示している。スライド移動させるために第２の部材１２と第１の部材１１、第３の部材１３との間には、第２の部材１２の高さが、第１の部材１１、第３の部材１３の高さよりも小さいことが必要である。そこで、第１の部材１１と第３の部材１３、あるいは第１の部材１１、第３の部材１３を固定する部分に１〜１００μｍ程度の弾性体の膜３０を備え、膜を備えた分だけをギャップとすることができる。
【００３１】
図７（ｄ）は、第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３と上下に配置したガイド機構３１間に膜３０を備えた場合の例を示している。図７（ｄ）に示す構成とすると、ガイド機構３１となるガイド用ガラス板とマイクロチップ１の間に液体が流れ込み、クロスコンタミネーションの原因となることを防止する。また、第２の部材１２の上下方向への漏れを防止し、摺動性を向上させることができる。
【００３２】
（バルブ装置の製造方法）
次に、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１の製造方法について、図８、図９を用いて説明する。
【００３３】
（イ）まず、図８（ａ）に示すように、微細流路を内部に含む基板を並行切断する。切断方法はダイシングなどが考えられる。そして、端面を並行研磨する。研磨方法は両面および片面のラッピング、ポリッシングが考えられる。このようにして、基板は、第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３に分けられる。図８（ｂ）は、図８（ａ）を上から見た図である。また、切断・研磨時には内部の微細流路に切断粉、研磨粉が入り込まないように微細流路内に詰め物をしてから切断・研磨加工を行ってもよい。内部に詰める材料としては切断・研磨時に外部に流れ出さない粘性のものが望ましい。あるいは、熱により溶解し粘性が小さくなる性質の物質を高温で微細流路に流し込み、切断・研磨加工を行い、切断加工や研磨加工が終了してから高温状態にして内部の詰め物を除去してもよい。
【００３４】
（ロ）次に、図８（ｃ）に示すように、切断した第１の部材１１と第３の部材１３をガイド機構３１となる上下の板で挟み、第２の部材１２との間隙が所望の間隙となるように位置を調整して固定する。このとき、各部材を接着や熱融着により固定する他、クランプ部材によってクランプする、あるいは、第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３をバラバラな状態で装置にセットすることなどにより固定しても構わない。図８（ｄ）は、図８（ｃ）を上から見た図である。
【００３５】
（ハ）次に、図８（ｅ）に示すように、第１の部材１１、第３の部材１３、ガイド機構３１で囲まれた空隙に切断した第２の部材１２を挿入する。図８（ｆ）は、図８（ｅ）を上から見た図である。第２の部材１２をスライド移動することにより、内部の微細流路の分離・結合が可能となる。第２の部材１２は上下方向についても所望の間隙としなければならないため、上下方向は所望の間隙になるように研磨を行うか、あるいは第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３に膜を備えてもよい。
【００３６】
このように、１枚の微細流路を有する基板を切断・研磨することにより、第１の部材１１・第３の部材１３と第２の部材１２において、上下方向の高さが同一となり、微細流路の分離・結合部分において流れの乱れやデッドボリュームの発生が抑えられる。
【００３７】
尚、図８では、微細流路が彫られた板と孔が空いた板を貼り合わせたマイクロチップを切断しているが、微細流路が彫られた板と孔が空いた板を貼り合わせる前に切断・研磨加工し、所望の大きさにしてから、それらを貼り合わせてもよい。後から貼り合わせを行った方が、切断・研磨時に微細流路に入り込んだ切断粉、研磨粉の除去がしやすい。
【００３８】
次に、異種の基板を切断・研磨加工してマイクロチップを製造する方法について図９を用いて説明する。図９に示す基板の寸法Ｌ１〜Ｌ１３は例示であり、これに限るわけではない。
【００３９】
（イ）まず、図９（ａ）に示すように、第１の部材１１及び第３の部材１３となる基板を用意する。基板の長辺の長さＬ１は、７０ｍｍ程度、短辺の長さＬ２は、３０ｍｍ程度とする。この基板を切断・研磨加工することにより、図９（ｂ）に示すように、第１の部材１１、第３の部材１３を作成する。第１の部材１１の長辺の長さＬ３は、４１±０．１ｍｍ程度、第３の部材１３の長辺の長さＬ４は、２６±０．１ｍｍ程度である。第１の部材１１と第３の部材の間Ｌ５には、３ｍｍ程度の部材が作成されるが、この部材は使用しない。
【００４０】
（ロ）次に、図９（ｃ）に示すように、第２の部材１２となる基板を用意する。この基板を切断・研磨加工することにより、図９（ｄ）に示すように、複数の第２の部材１２を作成する。第２の部材の幅Ｌ７は、３±０．１ｍｍ程度であり、彫られた微細流路の切り替え幅Ｌ６、切り替え位置までの幅Ｌ８、Ｌ９は、１±０．１ｍｍ程度である。
【００４１】
（ハ）次に、図９（ｂ）に示す第１の部材１１、第３の部材１３、図９（ｄ）に示す第２の部材１２の１つを組み合わせると、図９（ｅ）に示すように、マイクロチップが出来上がる。第１の部材１１の長さＬ１１は、４１±０．１ｍｍ程度であり、第２の部材１２の長さＬ１３は、３±０．１ｍｍ程度であり、第３の部材１３の長さＬ１２は、２６±０．１ｍｍ程度であり、マイクロチップの短辺の長さＬ１０は、３０±０．１ｍｍ程度となる。
【００４２】
第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３を相対移動させることにより、微細流路の分離・結合を行い、微細流路内部の流体の流れを制御することができる。
【００４３】
尚、このような製造方法において、第１の部材１１（第３の部材１３）となる基板と、第２の部材１２となる基板は、同じ高さの物を用いることが望ましい。
【００４４】
（バルブ装置の機能）
次に、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１の機能について説明する。
【００４５】
本発明の実施形態に係るマイクロチップ１は、図１０に示すように、スライド移動による定量液体の切り取りあるいはインジェクション機能を有する。本発明の実施形態に係るマイクロチップ１の第１の部材１１は、複数の第１の微細流路２１を有し、第３の部材１３は、複数の第３の微細流路２３を有し、複数の第１の微細流路２１の１つと複数の第３の微細流路２３の１つは、第２の微細流路２２によって同時に連結され、第１の部材１１、あるいは第２の部材１２、あるいは第３の部材１３が移動することにより、複数の第１の微細流路２１の別の１つと複数の第３の微細流路２３の別の１つは、第２の微細流路２２によって同時に連結される。このとき、第２の微細流路２２は一つでも複数でも構わない。
【００４６】
例えば、上側の試料導入孔５からサンプル液を、下側の試料導入孔５からキャリアー液を流すために加圧する。第２の部材１２を上側にスライド移動させ、微細流路１Ａと微細流路３Ａとを連結させれば、上側の微細流路上をサンプル液が流れることとなる。続いて、第２の部材１２を下側にスライド移動させ、微細流路１Ａ、微細流路３Ａと第２の微細流路２２とを分離すると、微細流路１Ａ及び微細流路３Ａ中の流体の流れは止まり、第２の微細流路２２中にサンプル液が一定量だけ切り取られる。更に、第２の部材１２をスライド移動させ、微細流路１Bと微細流路３Bと第２の微細流路２２を連結させれば、下側の微細流路上をキャリアー液が流れ、キャリアー液中に第２の部材２２によって切り取られたサンプル液が定量的にインジェクションされる。
【００４７】
次に、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１は、図１１に示すように、スライド移動による流路切り替え機能を有する。本発明の実施形態に係るマイクロチップ１の第１の部材１１は、複数の第１の微細流路２１を有し、第２の部材１２は、複数の第２の微細流路２２を有し、第１の部材１１、あるいは第２の部材１２、あるいは第３の部材１３が移動することにより、複数の第１の微細流路２１の１つと第３の微細流路２３は、複数の第２の微細流路２２の１つによって連結される。
【００４８】
例えば、図１１において、第１の部材１１内の試料導入孔５にそれぞれ上から洗浄液、純水、サンプル液を流すために圧力をかける。第２の微細流路２２の位置により、第３の微細流路２３と連結した第１の微細流路２１内に充填された洗浄液が、第３の部材１３に流れ込む。そして、スライド移動により、第３の微細流路２３と連結した第１の微細流路２２内に充填された純水が、第３の部材１３に流れ込む。そして、スライド移動により、第３の微細流路２３と連結した第１の微細流路２３内に充填されたサンプル液が、第３の部材１３に流れ込む。
【００４９】
このような構造のためには、図１１に示すように、第２の部材１２の微細流路の流路間隔は、（第２の微細流路２２ｃと第２の微細流路２２ｄの右側の流路間隔Ａ）＝（第１の微細流路２１ｄと第２の微細流路２２ｄの左側の流路間隔Ａ’）、（第２の微細流路２２ｃと第２の微細流路２２ｅの右側の流路間隔Ｂ）＝（第１の微細流路２１ｅと第２の微細流路２２ｅの左側の流路間隔Ｂ’）となっていることが望ましい。
【００５０】
次に、スライド移動による流路切り替え機能を有する、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１の別の構造を、図１２に示す。本発明の実施形態に係るマイクロチップ１の第１の部材１１は、複数の第１の微細流路２１を有し、第２の部材１２は、複数の第２の微細流路２２を有し、第３の部材１３は、複数の第３の微細流路２３を有し、第１の部材１１、あるいは第２の部材１２、あるいは第３の部材１３が移動することにより、複数の第１の微細流路２１の１つと複数の第３の微細流路２３の１つは、複数の第２の微細流路２２の１つによって連結される。
【００５１】
例えば、図１２は、第１の部材１１内部の複数の微細流路２１と、第３の部材１３内部の複数の微細流路２３とを第２の部材１２内部の複数の微細流路２２によって切り替える場合について示している。第２の部材１２をスライド移動させることにより、第１の部材１１と第３の部材１３の内部にある複数の微細流路を任意に連結することができる。
【００５２】
このように、第２の部材１２内の微細流路２２形状を変更することにより、上から下へなど一方向のスライド移動により、シーケンシャルに流体を制御することも可能となる。
【００５３】
（位置センサ、動力源、加圧機構）
次に、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１に備えられる機構について説明する。
【００５４】
本発明の実施形態に係るマイクロチップ１は、図１３に示すように、第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３の相対移動位置を検出する位置センサ３５を備える。
【００５５】
相対移動する第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３の内部にある微細流路を分離、結合するためには相対移動の量を把握しなければならない。そこで、第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３の位置を測定するセンサを付け、第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３の位置を測定することが必要である。
【００５６】
位置センサ３５は、図１３（ａ）に示すように、第２の部材１２の外側に設けられてもよく、第２の部材１２上に成膜などにより設けられてもよい。位置センサ３５は、図１３（ａ）に示すように、接触式によるものでもよく、図１３（ｂ）に示すように、レーザー光などによる非接触式によるものでもよい。位置センサ３５としては、部材に成膜することにより作成することが可能な微小電極や、電磁誘導、光干渉、レーザー干渉などを用いることができる。また、位置の検知としては、相対移動量を検知してもよく、絶対移動量を検知してもよい。
【００５７】
また、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１は、図１４に示すように、第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３を移動させるための動力源３６を備える。
【００５８】
部材を相対移動させるためには部材を移動させるための動力源３６が必要である。動力源３６と部材１１、１２、１３は直接接合しても構わないし、接合のための接合治具を介して接合しても構わない。動力源としては、モータ、電磁ソレノイド、静電駆動、圧電、超音波駆動、熱膨張、バイメタル、形状記憶合金などが使用できる。
【００５９】
また、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１は、図１５、１６に示すように、第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３移動方向を制限するガイド機構３１を備える。
【００６０】
相対移動により部材内部の微細流路を分離、結合するためには、移動方向を制御する必要がある。このため、ガイド機構３１を備えることが必要となる。
【００６１】
図１５（ａ）は、第２の部材１２の移動方向をガイドするために、上下に板を配置したガイド機構３１を示し、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）の断面図を示す。
【００６２】
また、図１６（ａ）は、第２の部材１２の移動方向をガイドするために、第２の部材１２を移動可能なガイド機構３１に固定した例を示し、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）の断面図を示す。ガイド機構３１は、リニアスライド機構３８に接続されることにより、第２の部材１２の移動を容易に行うことができる。
【００６３】
また、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１は、図１７〜１９に示すように、第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３の部材の間隙を小さくするように加圧する加圧機構を備える。
【００６４】
図８（ｃ）（ｅ）に示す上下板の接着、熱融着による固定によって、図５に示す間隙Ｌは、現実的には１μｍ程度が限界である。流路を流れる流体の圧力が低い場合には１μｍ程度の間隙でも流体を止めることができる。あるいは、漏れによるクロスコンタミネーションが発生しても分析などで許容できる範囲内とすることができる。
【００６５】
しかし、後述する図２２に示すような、流路上に多数の機能を含め、流路長さを長くした場合や、流路後段にカラム分離など高い流体圧が必要な機能を配置した場合には、スライド流路にかかる圧力が高くなる。このような場合には、１μｍ程度の間隙ではスライド部から液体が漏れる問題が発生する。このため、内部を流れる流体の圧力が高圧の場合においても、漏れ量を少なくするためには、図５に示す間隙Ｌを小さくすることが考えられ、間隙を小さくする方法の1つとして間隙の両側から加圧する方法を用いることができる。このように、両側を加圧することにより１μｍ以下の間隙が容易に得られる。
【００６６】
図１７は、相対移動する部材の間から液体が漏れることを防止するために相対移動する部材に対して、流体が漏れ出さない方向に力Ｆを加えることを示している。図１７では微細流路は左右方向にあり、液体の漏れを少なくするためには、バネや油圧機構などの加圧機構を設け、第１の部材１１、第３の部材１３を両側から抑えることが望ましい。
【００６７】
この具体例を、図１８に示す。図１８は、図１７に示した両側からの押し付けによる流体の漏れを減少させる方法を示している。スライドあるいは相対移動により流路の分離、再結合を行うためには第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３の位置を管理することが必要である。そこで第２の部材１２をスライド移動させるためには第１の部材１１、第３の部材１３を横方向に位置管理可能なリニアスライド機構３８などに固定する。固定方法はチップ１を直接固定してもよいし、リニアスライド機構３８に固定されたチップ保持部材３９により固定してもよい。
【００６８】
図１８に示したように、上下方向にスライド移動させる場合には液体の漏れ量を減少させるためには左右方向に第２の部材１２を押しつぶす方向に力をかければよい。力をかける材料としてバネや空圧、油圧などが考えられる。力を加える方法は直接チップにこれらの部材から力を与えてもよいし、チップを固定したチップ保持部材３９に力を加えてもよい。
【００６９】
次に、上述した、位置センサ３５、動力源３６、加圧機構４３をマイクロチップ１上に搭載した例について、図１９を用いて説明する。
【００７０】
図１９（ａ）に示すように、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１は、可動する第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３、位置センサ３５、動力源３６、加圧機構４３を備える。図１９（ｂ）は、図１９（ａ）の断面図を示す。第１の部材１１と第３の部材１３は、横方向にのみ可動できるように上下方向には間隙を数μmとしている。マイクロチップ１内には板バネなど力を加えることができる加圧機構４３があり、これらに連結した第１の部材１１と第３の部材１３は第２の部材１２を締め付ける方向に力を加えることができる。動力源３６や位置センサ３５により、第２の部材１２は図１９（ａ）における平面の上下方向にスライド移動する。これにより、第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３の内部に配置された微細流路が分離・結合を行い、微細流路内部の流体の流れを制御することが可能となる。
【００７１】
（バルブ装置内部の流体の処理あるいは検出）
次に、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１に備えられる流体の処理部及び検出部について説明する。
【００７２】
本発明の実施形態に係る化学分析装置３は、図２０〜２３に示すように、第１の微細流路２１、第２の微細流路２２、第３の微細流路２３内を流れる流体に、物理的あるいは化学的処理、あるいは流体の物理的あるいは化学的性質の検出を行う手段を備える。
【００７３】
図２０及び図２１は、図１〜３において説明したスライドバルブの前後に、物理的・化学的な処理部を配置した例を示す。
【００７４】
図２０では、左上に配置された２本の流路のＹ字型合流構造により異種類の流体の混合を行うことができる。また、第２の部材１２を上にスライド移動させ、上側の第１の微細流路２１と上側の第３の微細流路２３とを第２の微細流路２２により連結すれば、上側の流路構造により混合反応を行うことができる。即ち、第１の部材１１上の試料導入孔５より導入された試料は、混合部７において混合され、混合された試料は、第２の微細流路２２、上側の第３の微細流路２３を通過し、試料導出孔６へ排出される。
【００７５】
この状態において、第２の部材１２を下にスライド移動させ、下側の第１の微細流路２１と下側の第３の微細流路２３とを第２の微細流路２２によって連結させる。このとき、第２の微細流路２２中には、混合液が充填されている。そして、下側の第１の微細流路２１へキャリアー液を流すことにより、第２の微細流路２２内に充填された流体をキャリアー液中に定量的に切取り、下側の第３の微細流路２３へとインジェクションすることができる。そして、下側の第３の微細流路２３に設けられた検出部８によって、第２の微細流路２２によって定量された流体に対しての検出を行うことが可能となる。
【００７６】
また、図２１では、第２の部材１２を上下にスライド移動させることにより、第１の部材１１内部の微細流路２１と第３の部材２３内部の微細流路２３を一組ずつ連結することができる。例えば、第１の部材１１のそれぞれの試料導入孔５から、洗浄液、純水、試料、反応液などを流すように圧力をかけておけば、第２の微細流路２２のスライド移動により第３の部材２３に連結する流路を変えることにより、第３の微細流路２３に連結された反応部２５及び検出部８にこれらの流体を切り替えて流すことが可能となる。
【００７７】
図２１では、スライドバルブ後に反応部２５及び検出部８を示したが、物理的・化学的な処理部はこの二つに限らず、その配置についてもスライドバルブの前においても構わない。
【００７８】
図２２は、相対的なスライド移動とその前後に配置された物理的・化学的な処理や検出が概平面上に配置したマイクロチップ１を示している。図２２に示すように、第１の部材１１及び第２の部材１２上には、混合部７、検出部８、加熱部９、カラム分離１０が概平面上に配置されている。概平面上に配置することにより、マイクロチップ１間で流体を移動させる際に、コネクタ部分や連結チューブ部分で生じるデッドボリュームを極力抑えることが可能となる。また、図２３に示すように、物理的あるいは化学的な処理部や検出部は、スライド移動する第２の部材１２に配置されていてもよい。
【００７９】
（マイクロチップ間の接続）
次に、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１を連結した例について、図２４及び図２５を用いて説明する。
【００８０】
図２４では、上側に配置されたマイクロチップ1は、第１の部材１１、第２の部材１２及び第３の部材１３を有し、これらの部材のスライド移動により流体を制御し、下側に配置されたマイクロチップ１は、検出部８を有する。上側に配置されたマイクロチップ１には下側に、下側に配置されたマイクロチップ１には上側にそれぞれ位置が管理された試料貫通孔２６を設け、これらを貼り合わせることにより上下のマイクロチップ１の間で流体の流通を行う。上下のマイクロチップ１間の流体の導通はコネクタを介して行ってもよいことは勿論である。このような立体構造をとることにより、流体の制御、反応、検出など処理のマイクロチップ１を組み合わせて全体の処理を構築することができる。
【００８１】
また、図２５は複数のマイクロチップ１を連結した別の例を示している。図２４では、複数のマイクロチップ１を立体的に縦方向に貼り合わせることにより連結したが、図２５に示すように、複数のマイクロチップ１を並列に配置することにより、任意の方向で連結しても構わない。連結方法としては、コネクタ、チューブによって接続してもよく、複数に配置するマイクロチップ１のうちスライド移動をさせないものについてはホルダーなどに納めて並列に配置することにより接続しても構わない。
【００８２】
（化学分析システム）
次に、上述したマイクロチップ、位置センサ、動力源などを含む化学分析システムについて説明する。図１９などでは、マイクロチップ１上に、位置センサ３５、動力源３６、加圧機構４６を設けたが、これらはマイクロチップ１外に設けられてもよい。
【００８３】
本発明の実施形態に係る化学分析システム２は、図２６に示すように、マイクロチップ１と、位置センサ３５と、動力源３６と、位置センサ３５の情報を元に、動力源３６の動作を制御する制御部３７とを備える。相対移動により部材内部の微細流路の分離、結合を行うためには相対移動量を制御する必要がある。そこで絶対移動量、相対移動量を検知する位置センサとそれに連結した制御部とそれに連結した動力源を用意する。位置センサからの情報を元に制御部で相対移動させるために必要な動力を計算し、動力源に伝え、相対移動量を制御する。
【００８４】
また、本発明の実施形態に係る化学分析システム２は、第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３の移動方向を制限するガイド機構や、部材間の間隙を小さくするように加圧する加圧機構とを備えてもよい。
【００８５】
また、図２７は、基材４２上に化学分析システム２を装置として構築した場合の例を示す。基材４２の上に相対移動させるマイクロチップ１を保持するチップ保持部材３９を設け、この上にマイクロチップ１を固定する。相対移動で移動させる第２の部材１２には基材４２に固定された動力源３６を連結する。尚、相対移動で移動させる部材が第２の部材１２以外の場合には、他の部材に動力源３６とを連結する。また、動力源３６と移動させる部材（ここでは第２の部材１２）とは移動に適切な連結部材４１により連結される。また、必要があれば移動部材の位置が測定できる位置センサ３５を設置し、移動部材の位置を測定する。
【００８６】
（本実施形態に係るバルブ装置、化学分析装置及び化学分析システムの作用及び効果）
本発明の実施形態に係るバルブ装置（マイクロチップ）１によると、デッドボリュームが極めて少ないマイクロバルブを実現することができる。
【００８７】
また、マイクロチップ内の微細流路の一部をマイクロチップ毎に、相対移動させることにより、微細流路の分離・結合を行い、微細流路内の流れを制御することができる。
【００８８】
更に、相対移動する部材の形状、相対移動する部材内部の流路構造を変えることにより、微細流路内の流体の切り替え、微細流路による切取りインジェクションなどの機能を実現することが可能となる。
【００８９】
（その他の実施の形態）
本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００９０】
例えば、図２において、第１の部材１１、第２の部材１２は、それぞれ１本の微細流路（第１の微細流路２１、第２の微細流路２２）しか有しないが、これらの部材中に含まれる微細流路の本数、構造は任意で構わない。他の図面に示された微細流路についても同様である。
【００９１】
また、図１において、マイクロチップ１は、３つの部材（第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３）からなり、主に第２の部材１２がスライド移動する例について記したが、部材の個数も、移動する部材の個数も多数あって構わない。
【００９２】
なお、図面などの説明をした際に、マイクロチップ１などの大きさや高さを記述したが、これは例示として挙げた数値であり、この数値に限られるわけではないことは勿論である。
【００９３】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本実施形態に係るマイクロチップの模式図である（その１）。
【図２】本実施形態に係るマイクロチップの模式図である（その２）。
【図３】本実施形態に係るマイクロチップの模式図である（その３）。
【図４】本実施形態に係るマイクロチップの平行度を示す図である。
【図５】本実施形態に係るマイクロチップの部材間の間隙を示す図である。
【図６】本実施形態に係るマイクロチップの表面粗さを示す図である。
【図７】本実施形態に係るマイクロチップに備えられた膜を示す図である。
【図８】本実施形態に係るマイクロチップの製造方法を示す図である（その１）。
【図９】本実施形態に係るマイクロチップの製造方法を示す図である（その２）。
【図１０】本実施形態に係るマイクロチップの流路切り替え機能を示す図である（その１）。
【図１１】本実施形態に係るマイクロチップの流路切り替え機能を示す図である（その２）。
【図１２】本実施形態に係るマイクロチップの流路切り替え機能を示す図である（その３）。
【図１３】本実施形態に係るマイクロチップの位置センサを示す図である。
【図１４】本実施形態に係るマイクロチップの動力源を示す図である。
【図１５】本実施形態に係るマイクロチップのガイド機構を示す図である（その１）。
【図１６】本実施形態に係るマイクロチップのガイド機構を示す図である（その２）。
【図１７】本実施形態に係るマイクロチップの加圧機構を示す図である（その１）。
【図１８】本実施形態に係るマイクロチップの加圧機構を示す図である（その２）。
【図１９】本実施形態に係るマイクロチップの加圧機構を示す図である（その３）。
【図２０】本実施形態に係る化学分析装置の検出部を示す図である。
【図２１】本実施形態に係る化学分析装置の反応部を示す図である。
【図２２】本実施形態に係る化学分析装置の処理部及び検出部示す図である（その１）。
【図２３】本実施形態に係る化学分析装置の処理部及び検出部示す図である（その２）。
【図２４】本実施形態に係るマイクロチップの連結例である（その１）。
【図２５】本実施形態に係るマイクロチップの連結例である（その２）。
【図２６】本実施形態に係る化学分析システムを示す模式図である（その１）。
【図２７】本実施形態に係る化学分析システムを示す模式図である（その２）。
【符号の説明】
【００９５】
１ バルブ装置（マイクロチップ）
２ 化学分析システム
３ 化学分析装置
５ 試料導入孔
６ 試料導出孔
７ 混合部
８ 検出部
９ 加熱部
１０ カラム分離
１１ 第１の部材
１２ 第２の部材
１３ 第３の部材
２１ 第１の微細流路
２２ 第２の微細流路
２３ 第３の微細流路
２５ 反応部
２６ 試料貫通孔
３０ 膜
３１ ガイド機構
３３ バネ
３５ 位置センサ
３６ 動力源
３７ 制御部
３８ リニアスライド機構
３９ チップ保持部材
４１ 連結部材
４２ 基材
４３ 加圧機構
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微量な化学物質の反応や合成分析を行うマイクロチップとして用いられる、バルブ装置を用いた化学分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、健康や環境などの分析に用いるサンプルや試薬量の極小化、反応の高速化が可能なことからマイクロチップにおけるマイクロ空間で化学反応を行うことが注目を集めている。また、反応や分析の更なる高度化のためにマイクロチップへのバルブの搭載が望まれている。
【０００３】
これまでに、マイクロチップへのバルブの実装形態として、いくつかの方法が提案されている。その中の1つに、メンブレンを変形させることによりマイクロチップ中の微細流路を塞ぐ方法が開発されている（例えば、非特許文献１参照。）。メンブレン方式では、ＰＤＭＳなどの耐薬品性が高く軟らかい材料からなるメンブレンを、微細流路を塞ぐように空圧などで押し当てることにより、微細流路を流れる流体の流れを止めることが可能である。
【０００４】
また、その他のマイクロチップへのバルブの実装形態として、スライドゲート方式も開発されている（例えば、非特許文献２参照。）。スライドゲート方式では、微細流路にゲートとなる部材を挿入することにより微細流路を流れる流体の流れを止めることが可能である。
【非特許文献１】ウィリアム・エイチ・グロヴァー（William H. Grover）、他４名、「微小液体分析装置に使用されるＬＳＩにおける実用的なバルブ及びポンプ」（“Practical Valves and Pumps for Large-Scale Integration into Microfluidic Analysis Devices”）、μTAS２00２（２00２）、pp.136-138
【非特許文献２】アルベルト・ピー・ピサノ（Albert P. Pisano）、他１名、「低漏水マイクロゲートバルブ」（”Low-Leakage Micro Gate Valve”）、 Transducers‘03、Berkley USA、２003年6月11日、pp.143-146
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、メンブレン方式のバルブでは、メンブレンを変形させるために、微細流路周辺にメンブレン及びメンブレンを駆動させるための機構を設置する必要があり、このため、微細流路中に、流体の流れに対して不必要に流路幅が広くなった部分（以下において、「デッドボリューム」という。）が発生する。このデッドボリュームが存在することにより、異種の液体を流す場合にコンタミネーションの原因となってしまう。また、メンブレンが変形して微細流路を塞ぐ際に、微細流路に液体を押し流してしまったり、メンブレンが変形して微細流路を解放する際に、微細流路の流れを引き戻してしまったりする現象が発生することがあり、微細流路内の流れを制御する際の障害となっていた。
【０００６】
一方、スライドゲート式のバルブでは、ゲート開閉による微細流路を流れる液体の流れの停止（ストップバルブ）の機能しか実現することができない。また、ゲートを開けた際には、微細流路を流れる流体がゲート部分に流れ込むため、この部分がデッドボリュームとなり、異種の液体を流す際にコンタミネーションを発生させる問題点があった。
【０００７】
そこで、本発明は上記の問題点に鑑み、デッドボリュームが極めて小さいマイクロバルブを有するバルブ装置を用いた化学分析装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の特徴は、（イ）流体が移動可能な複数の第１の流路を有する第１の部材、第１の部材に隣接し、複数の第１の流路に連通可能な第２の流路を有する第２の部材、第２の部材に隣接し、第２の流路に連通可能な第３の流路を有する第３の部材を備え、第１の部材、第２の部材及び第３の部材が相対的に移動することにより、複数の第１の流路の一つと複数の第２の流路の一つを連通させ、また、複数の第１の流路のそれぞれを流れる流体の流れを第２の部材の第1の部材との第１の隣接面により停止させ、複数の第２の流路のそれぞれを流れる流体の流れを第３の部材の第２の部材との第２の隣接面により停止させるバルブ装置と、（ロ）第３の部材において第３の流路に連結され、複数の第１の流路の一つから複数の第２の流路の一つを通って第３の流路内を流れる流体に物理的あるいは化学的処理を行う反応部とを備える化学分析装置であることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、デッドボリュームが極めて小さいマイクロバルブを有するバルブ装置を用いた化学分析装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には、同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１１】
（バルブ装置）
本発明の実施形態に係るバルブ装置１は、図１に示すように、流体が移動可能な第１の微細流路２１を有する第１の部材１１と、第１の部材１１に隣接し、第１の流路１１に連通可能な第２の微細流路２２を有する第２の部材１２と、第２の部材１２に隣接し、第２の微細流路２２に連通可能な第３の微細流路２３を有する第３の部材１３と備える。そして、第１の部材１１と第２の部材１２とが相対的に移動することにより、第１の微細流路２１と第２の微細流路２２を連通させ、また、第1の微細流路２１を流れる流体の流れを第２の部材１２の第１の隣接面により停止させるようにする。また、第２の部材１２と第３の部材１３とが相対的に移動することにより、第２の微細流路２２と第３の微細流路２３を連通させ、また、第２の微細流路２２を流れる流体の流れを第３の部材１３の第２の隣接面により停止させるようにする。
【００１２】
図１に示すバルブ装置１の大きさは、概ね数〜数十ｍｍオーダであり、いわゆるマイクロチップと呼ばれる。第１の部材１１、第２の部材１２及び第３の部材の材質としては、石英等のガラス材料やポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）等のシリコンゴムあるいはポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等のアクリル樹脂などが使用可能である。更に、ガラスエポキシ樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）やポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂、シリコン等の半導体材料、金属等でも構わない。
【００１３】
第１の部材１１上には、試料導入孔５、第１の微細流路２１が設けられ、第２の部材１２上には、第２の微細流路２２が設けられ、第３の部材１３上には、第３の微細流路２３、試料導出孔６が設けられる。微細流路の幅、深さは１μｍ〜５ｍｍが好ましい。５ｍｍ以上の幅としてもよいが、集積密度が低下し、マイクロチップとしての機能が薄くなる。加工技術が許せば、１μｍ以下の幅も可能であるが、混合、反応、分析を行う上での操作性や分析感度の点から現実的ではない。従って、微細流路の幅、深さは、マイクロチップとしての集積密度、分析感度や製造の容易性を考慮すれば２０μｍ〜１ｍｍ程度にすればよい。第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３が、図１の平面に対して上下方向に相対移動することにより、第１の微細流路２１と第２の微細流路２２、第２の微細流路２２と第３の微細流路２３は、それぞれ分離したり結合したりする。以下の説明において、「上下方向」など方向を指し示す記述は、説明に用いる図面に対しての移動方向を指す。第１の微細流路２１、第２の微細流路２２、第３の微細流路２３が結合している場合は、試料導入孔５より導入された試料は、第１の微細流路２１、第２の微細流路２２及び第３の微細流路２３を通過し、試料導出孔６から排出される。第１の微細流路２１と第２の微細流路２２が分離されている場合は、試料導入孔５より導入された試料は、第１の微細流路２１を通過し、第２の部材２２の側面部においてその流れを止められる。また、第２の微細流路２２と第３の微細流路２３が分離されている場合は、第２の微細流路２２を通過した試料は、第３の部材２３の側面部においてその流れを止められる。第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３は、スライド移動することにより流体の流れを止めるスライドバルブ（マイクロバルブ）の役割を果たす。このように、第１部材１１、第２の部材１２及び第３の部材１３が上下方向に相対移動することにより、第１の微細流路２１、第２の微細流路２２及び第３の微細流路２３が分離・結合し、微細流路内の流体の流れを制御することができる。
【００１４】
また、図１（ｂ）は、図１（ａ）の長辺方向における断面図である。図１（ａ）において、平面に対して上下方向にスライド移動すると説明したが、図１（ｂ）に示すように、断面に対して上下方向にスライド移動するとしても、第１の微細流路２１、第２の微細流路２２及び第３の微細流路２３の分離・結合が可能であり、微細流路内の流体の流れを制御することができる。
【００１５】
また、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１は、図２に示すように、第１の部材１１は、第２の部材１２の周囲を囲む形状であり、第２の微細流路２２を流れる流体の流れを第１の部材１１の第３の隣接面により停止する構造としてもよい。
【００１６】
第１の部材１１上には、試料導入孔５、試料導出孔６、第１の微細流路２１が設けられ、第２の部材１２上には、第２の微細流路２２が設けられている。第１の部材１１、第２の部材１２が、図２の平面に対して上下方向に相対移動することにより、第１の微細流路２１及び第２の微細流路２２は、分離したり結合したりする。例えば、図２（ａ）に示すように、第１の微細流路２１と第２の微細流路２２が結合されている場合は、試料導入孔５より導入された試料は、第１の微細流路２１及び第２の微細流路２２を通過し、試料導出孔６から排出される。第１の部材１１上に設けられ、第２の微細流路２２と試料導出孔６を連結する流路を「第４の微細流路」という。一方、図２（ｂ）に示すように、第１の微細流路２１と第２の微細流路２２が分離されている場合は、試料導入孔５より導入された試料は、第１の微細流路２１を通過し、第２の部材２２の第１の隣接面においてその流れを止められる。このように、第１部材１１、第２の部材１２が上下方向に相対移動することにより、第１の微細流路２１、第２の微細流路２２が分離・結合し、微細流路内の流体の流れを制御することができる。
【００１７】
また、図２（ａ）では、第２の部材１２の中央部に第２の微細流路２２を設け、第２の部材１２が第１の部材１１の中央に位置したときに、第１の微細流路２１と第２の微細流路２２が連結されるが、第２の微細流路２２を第２の部材の中央より端に近い部分に設け、第２の部材２２が図２（ｂ）に示す位置に移動したときに、第１の微細流路２１と第２の微細流路２２が連結されるものとしてもよい。
【００１８】
また、図２（ｃ）に示すように、マイクロチップ１は、孔部１５の上側面側に第２の部材１２が移動した際に、上側の第１の微細流路２１と上側の第２の微細流路２２が接続される形状とし、孔部１５の下側面側に第２の部材１２が移動した際に、下側の第１の微細流路２１と下側の第２の微細流路２２が接続される形状としてもよい。
【００１９】
更に、図２（ｄ）に示すように、第２の部材１２は四側面が第１の部材１１により囲まれる必要はなく、三側面が囲まれる形状としても構わない。
【００２０】
また、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１は、図３に示すように、第２の部材１２が回転移動することにより、第１の微細流路１１を流れる流体の流れを第２の部材１２の側面により停止する構造としてもよい。
【００２１】
第１の部材１１上には、試料導入孔５、試料導出孔６、第１の微細流路２１が設けられ、第２の部材１２上には、第２の微細流路２２が設けられている。図３では、図１で説明した部材の相対移動が、上下方向のスライド移動ではなく、回転移動である場合を示す。第２の部材１２が第１の部材１１に対し回転することにより、微細流路の分離・結合が可能であり、微細流路内の流体の流れを制御することができる。
【００２２】
（バルブ装置の平行度、間隙、粗さ）
次に、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１の部材間の平行度、間隙、粗さなどについて説明する。
【００２３】
本発明の実施形態に係るマイクロチップ１は、図４に示すように、第２の部材１２の第２の微細流路２２断面を有する１組の側面が平行であることが望ましい。また、この平行度は、１分以下が望ましい。平行度が悪いと、第２の部材１２を上下方向にスライド相対移動させた場合に、第２の部材１２が第１の部材１１と第３の部材１３に噛み合ってしまい、動かなくなる不具合が生じる可能性がある。また、平行度が悪いと、第２の部材１２を上下方向にスライド相対移動させた場合に、第２の部材１２と第１の部材１１、第３の部材１３の間の間隙が広がり、微細流路を流れる液体が間隙部に漏れてしまう不具合が生じる可能性がある。
【００２４】
また、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１は、図５に示すように、第１の部材１１と第２の部材１２の相対移動時に最も近接している側面の最小間隙Ｌが１０ｎｍ〜３μｍであることが望ましい。相対移動する部材は間隙が大きすぎると相対移動させるための力が小さくてすむが、微細流路を流れる流体の漏れが大きくなる。逆に間隙が小さいと漏れ量は少なくなるが、相対移動に必要な力が大きくなり、場合によっては部材を破壊してしまう可能性がある。そこで、相対移動する部材の間の間隙Ｌは、１０ｎｍ〜３μｍ程度が望ましい。
【００２５】
図５では横方向についての間隙について記したが、縦方向についての間隙についても同様である。即ち、後述する図７（ｃ）における第２の部材１２とガイド機構３１間の間隙についても、１０ｎｍ〜３μｍ程度が望ましい。
【００２６】
また、図７（ｂ）に示したように膜を備える場合には、部材間の間隙は、１０ｎｍ〜３０μｍ程度が望ましい。間隙が広くなると、微細流路を流れる流体が第２の部材１２と第１の部材１１、第３の部材１３の間隙部に漏れてしまう不具合が生じる可能性がある。但し、部材表面上に膜を備え、膜を押しつぶす方向に部材を加圧した場合は、部材間の間隙をなくしても構わない。
【００２７】
また、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１は、図６に示すように、第１の部材１１と第２の部材１２の相対移動時に最も近接している側面の表面粗さが、算術平均粗さをＲａとして、０．０１μｍ≦Ｒａ≦３μｍであることが望ましい。摺動する部分の表面粗さは小さいほど液体の漏れ量が少なくなる。しかし、表面粗さが小さいと材料によっては部材同士が固着するスティクションが発生してしまう。そのため摺動する部分には適当な表面粗さが必要であり、算術平均粗さＲａは、０．０１〜３μｍ程度が望ましい。また、表面粗さ加工は、摺動する両面に行ってもよく、片面に行ってもよい。尚、図７において後述するように膜を備えた場合は、この表面粗さは必要ない場合もある。
【００２８】
（バルブ装置の部材表面上への膜の具備）
次に、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１の部材の面上に弾性体からなる膜を備えた例について説明する。
【００２９】
図７（ｂ）は、図７（ａ）の断面図であり、第２の部材１２の周囲に弾性体の膜３０を備えた場合について示している。第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３をガラスなどの脆性材料で製作した場合、第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３の間隙を狭くして流体の漏れを少なくすることには限界があるため、若干の漏れやそれに起因する流路間のクロスコンタミネーションが生じてしまう可能性がある。そこで、第２の部材１２の周囲に１〜１００μｍ程度の弾性体からなる膜を備え、第１の部材１１、第３の部材１３にて第２の部材１２の周りに備えられた膜３０を押しつぶすことによりシールし、漏れを少なくすることができる。
【００３０】
図７（ｃ）は、第２の部材１２の上下方向のギャップを調整するために膜３０を備えた場合の例を示している。スライド移動させるために第２の部材１２と第１の部材１１、第３の部材１３との間には、第２の部材１２の高さが、第１の部材１１、第３の部材１３の高さよりも小さいことが必要である。そこで、第１の部材１１と第３の部材１３、あるいは第１の部材１１、第３の部材１３を固定する部分に１〜１００μｍ程度の弾性体の膜３０を備え、膜を備えた分だけをギャップとすることができる。
【００３１】
図７（ｄ）は、第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３と上下に配置したガイド機構３１間に膜３０を備えた場合の例を示している。図７（ｄ）に示す構成とすると、ガイド機構３１となるガイド用ガラス板とマイクロチップ１の間に液体が流れ込み、クロスコンタミネーションの原因となることを防止する。また、第２の部材１２の上下方向への漏れを防止し、摺動性を向上させることができる。
【００３２】
（バルブ装置の製造方法）
次に、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１の製造方法について、図８、図９を用いて説明する。
【００３３】
（イ）まず、図８（ａ）に示すように、微細流路を内部に含む基板を並行切断する。切断方法はダイシングなどが考えられる。そして、端面を並行研磨する。研磨方法は両面および片面のラッピング、ポリッシングが考えられる。このようにして、基板は、第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３に分けられる。図８（ｂ）は、図８（ａ）を上から見た図である。また、切断・研磨時には内部の微細流路に切断粉、研磨粉が入り込まないように微細流路内に詰め物をしてから切断・研磨加工を行ってもよい。内部に詰める材料としては切断・研磨時に外部に流れ出さない粘性のものが望ましい。あるいは、熱により溶解し粘性が小さくなる性質の物質を高温で微細流路に流し込み、切断・研磨加工を行い、切断加工や研磨加工が終了してから高温状態にして内部の詰め物を除去してもよい。
【００３４】
（ロ）次に、図８（ｃ）に示すように、切断した第１の部材１１と第３の部材１３をガイド機構３１となる上下の板で挟み、第２の部材１２との間隙が所望の間隙となるように位置を調整して固定する。このとき、各部材を接着や熱融着により固定する他、クランプ部材によってクランプする、あるいは、第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３をバラバラな状態で装置にセットすることなどにより固定しても構わない。図８（ｄ）は、図８（ｃ）を上から見た図である。
【００３５】
（ハ）次に、図８（ｅ）に示すように、第１の部材１１、第３の部材１３、ガイド機構３１で囲まれた空隙に切断した第２の部材１２を挿入する。図８（ｆ）は、図８（ｅ）を上から見た図である。第２の部材１２をスライド移動することにより、内部の微細流路の分離・結合が可能となる。第２の部材１２は上下方向についても所望の間隙としなければならないため、上下方向は所望の間隙になるように研磨を行うか、あるいは第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３に膜を備えてもよい。
【００３６】
このように、１枚の微細流路を有する基板を切断・研磨することにより、第１の部材１１・第３の部材１３と第２の部材１２において、上下方向の高さが同一となり、微細流路の分離・結合部分において流れの乱れやデッドボリュームの発生が抑えられる。
【００３７】
尚、図８では、微細流路が彫られた板と孔が空いた板を貼り合わせたマイクロチップを切断しているが、微細流路が彫られた板と孔が空いた板を貼り合わせる前に切断・研磨加工し、所望の大きさにしてから、それらを貼り合わせてもよい。後から貼り合わせを行った方が、切断・研磨時に微細流路に入り込んだ切断粉、研磨粉の除去がしやすい。
【００３８】
次に、異種の基板を切断・研磨加工してマイクロチップを製造する方法について図９を用いて説明する。図９に示す基板の寸法Ｌ１〜Ｌ１３は例示であり、これに限るわけではない。
【００３９】
（イ）まず、図９（ａ）に示すように、第１の部材１１及び第３の部材１３となる基板を用意する。基板の長辺の長さＬ１は、７０ｍｍ程度、短辺の長さＬ２は、３０ｍｍ程度とする。この基板を切断・研磨加工することにより、図９（ｂ）に示すように、第１の部材１１、第３の部材１３を作成する。第１の部材１１の長辺の長さＬ３は、４１±０．１ｍｍ程度、第３の部材１３の長辺の長さＬ４は、２６±０．１ｍｍ程度である。第１の部材１１と第３の部材の間Ｌ５には、３ｍｍ程度の部材が作成されるが、この部材は使用しない。
【００４０】
（ロ）次に、図９（ｃ）に示すように、第２の部材１２となる基板を用意する。この基板を切断・研磨加工することにより、図９（ｄ）に示すように、複数の第２の部材１２を作成する。第２の部材の幅Ｌ７は、３±０．１ｍｍ程度であり、彫られた微細流路の切り替え幅Ｌ６、切り替え位置までの幅Ｌ８、Ｌ９は、１±０．１ｍｍ程度である。
【００４１】
（ハ）次に、図９（ｂ）に示す第１の部材１１、第３の部材１３、図９（ｄ）に示す第２の部材１２の１つを組み合わせると、図９（ｅ）に示すように、マイクロチップが出来上がる。第１の部材１１の長さＬ１１は、４１±０．１ｍｍ程度であり、第２の部材１２の長さＬ１３は、３±０．１ｍｍ程度であり、第３の部材１３の長さＬ１２は、２６±０．１ｍｍ程度であり、マイクロチップの短辺の長さＬ１０は、３０±０．１ｍｍ程度となる。
【００４２】
第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３を相対移動させることにより、微細流路の分離・結合を行い、微細流路内部の流体の流れを制御することができる。
【００４３】
尚、このような製造方法において、第１の部材１１（第３の部材１３）となる基板と、第２の部材１２となる基板は、同じ高さの物を用いることが望ましい。
【００４４】
（バルブ装置の機能）
次に、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１の機能について説明する。
【００４５】
本発明の実施形態に係るマイクロチップ１は、図１０に示すように、スライド移動による定量液体の切り取りあるいはインジェクション機能を有する。本発明の実施形態に係るマイクロチップ１の第１の部材１１は、複数の第１の微細流路２１を有し、第３の部材１３は、複数の第３の微細流路２３を有し、複数の第１の微細流路２１の１つと複数の第３の微細流路２３の１つは、第２の微細流路２２によって同時に連結され、第１の部材１１、あるいは第２の部材１２、あるいは第３の部材１３が移動することにより、複数の第１の微細流路２１の別の１つと複数の第３の微細流路２３の別の１つは、第２の微細流路２２によって同時に連結される。このとき、第２の微細流路２２は一つでも複数でも構わない。
【００４６】
例えば、上側の試料導入孔５からサンプル液を、下側の試料導入孔５からキャリアー液を流すために加圧する。第２の部材１２を上側にスライド移動させ、微細流路１Ａと微細流路３Ａとを連結させれば、上側の微細流路上をサンプル液が流れることとなる。続いて、第２の部材１２を下側にスライド移動させ、微細流路１Ａ、微細流路３Ａと第２の微細流路２２とを分離すると、微細流路１Ａ及び微細流路３Ａ中の流体の流れは止まり、第２の微細流路２２中にサンプル液が一定量だけ切り取られる。更に、第２の部材１２をスライド移動させ、微細流路１Bと微細流路３Bと第２の微細流路２２を連結させれば、下側の微細流路上をキャリアー液が流れ、キャリアー液中に第２の部材２２によって切り取られたサンプル液が定量的にインジェクションされる。
【００４７】
次に、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１は、図１１に示すように、スライド移動による流路切り替え機能を有する。本発明の実施形態に係るマイクロチップ１の第１の部材１１は、複数の第１の微細流路２１を有し、第２の部材１２は、複数の第２の微細流路２２を有し、第１の部材１１、あるいは第２の部材１２、あるいは第３の部材１３が移動することにより、複数の第１の微細流路２１の１つと第３の微細流路２３は、複数の第２の微細流路２２の１つによって連結される。
【００４８】
例えば、図１１において、第１の部材１１内の試料導入孔５にそれぞれ上から洗浄液、純水、サンプル液を流すために圧力をかける。第２の微細流路２２の位置により、第３の微細流路２３と連結した第１の微細流路２１内に充填された洗浄液が、第３の部材１３に流れ込む。そして、スライド移動により、第３の微細流路２３と連結した第１の微細流路２２内に充填された純水が、第３の部材１３に流れ込む。そして、スライド移動により、第３の微細流路２３と連結した第１の微細流路２３内に充填されたサンプル液が、第３の部材１３に流れ込む。
【００４９】
このような構造のためには、図１１に示すように、第２の部材１２の微細流路の流路間隔は、（第２の微細流路２２ｃと第２の微細流路２２ｄの右側の流路間隔Ａ）＝（第１の微細流路２１ｄと第２の微細流路２２ｄの左側の流路間隔Ａ’）、（第２の微細流路２２ｃと第２の微細流路２２ｅの右側の流路間隔Ｂ）＝（第１の微細流路２１ｅと第２の微細流路２２ｅの左側の流路間隔Ｂ’）となっていることが望ましい。
【００５０】
次に、スライド移動による流路切り替え機能を有する、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１の別の構造を、図１２に示す。本発明の実施形態に係るマイクロチップ１の第１の部材１１は、複数の第１の微細流路２１を有し、第２の部材１２は、複数の第２の微細流路２２を有し、第３の部材１３は、複数の第３の微細流路２３を有し、第１の部材１１、あるいは第２の部材１２、あるいは第３の部材１３が移動することにより、複数の第１の微細流路２１の１つと複数の第３の微細流路２３の１つは、複数の第２の微細流路２２の１つによって連結される。
【００５１】
例えば、図１２は、第１の部材１１内部の複数の微細流路２１と、第３の部材１３内部の複数の微細流路２３とを第２の部材１２内部の複数の微細流路２２によって切り替える場合について示している。第２の部材１２をスライド移動させることにより、第１の部材１１と第３の部材１３の内部にある複数の微細流路を任意に連結することができる。
【００５２】
このように、第２の部材１２内の微細流路２２形状を変更することにより、上から下へなど一方向のスライド移動により、シーケンシャルに流体を制御することも可能となる。
【００５３】
（位置センサ、動力源、加圧機構）
次に、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１に備えられる機構について説明する。
【００５４】
本発明の実施形態に係るマイクロチップ１は、図１３に示すように、第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３の相対移動位置を検出する位置センサ３５を備える。
【００５５】
相対移動する第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３の内部にある微細流路を分離、結合するためには相対移動の量を把握しなければならない。そこで、第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３の位置を測定するセンサを付け、第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３の位置を測定することが必要である。
【００５６】
位置センサ３５は、図１３（ａ）に示すように、第２の部材１２の外側に設けられてもよく、第２の部材１２上に成膜などにより設けられてもよい。位置センサ３５は、図１３（ａ）に示すように、接触式によるものでもよく、図１３（ｂ）に示すように、レーザー光などによる非接触式によるものでもよい。位置センサ３５としては、部材に成膜することにより作成することが可能な微小電極や、電磁誘導、光干渉、レーザー干渉などを用いることができる。また、位置の検知としては、相対移動量を検知してもよく、絶対移動量を検知してもよい。
【００５７】
また、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１は、図１４に示すように、第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３を移動させるための動力源３６を備える。
【００５８】
部材を相対移動させるためには部材を移動させるための動力源３６が必要である。動力源３６と部材１１、１２、１３は直接接合しても構わないし、接合のための接合治具を介して接合しても構わない。動力源としては、モータ、電磁ソレノイド、静電駆動、圧電、超音波駆動、熱膨張、バイメタル、形状記憶合金などが使用できる。
【００５９】
また、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１は、図１５、１６に示すように、第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３移動方向を制限するガイド機構３１を備える。
【００６０】
相対移動により部材内部の微細流路を分離、結合するためには、移動方向を制御する必要がある。このため、ガイド機構３１を備えることが必要となる。
【００６１】
図１５（ａ）は、第２の部材１２の移動方向をガイドするために、上下に板を配置したガイド機構３１を示し、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）の断面図を示す。
【００６２】
また、図１６（ａ）は、第２の部材１２の移動方向をガイドするために、第２の部材１２を移動可能なガイド機構３１に固定した例を示し、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）の断面図を示す。ガイド機構３１は、リニアスライド機構３８に接続されることにより、第２の部材１２の移動を容易に行うことができる。
【００６３】
また、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１は、図１７〜１９に示すように、第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３の部材の間隙を小さくするように加圧する加圧機構を備える。
【００６４】
図８（ｃ）（ｅ）に示す上下板の接着、熱融着による固定によって、図５に示す間隙Ｌは、現実的には１μｍ程度が限界である。流路を流れる流体の圧力が低い場合には１μｍ程度の間隙でも流体を止めることができる。あるいは、漏れによるクロスコンタミネーションが発生しても分析などで許容できる範囲内とすることができる。
【００６５】
しかし、後述する図２２に示すような、流路上に多数の機能を含め、流路長さを長くした場合や、流路後段にカラム分離など高い流体圧が必要な機能を配置した場合には、スライド流路にかかる圧力が高くなる。このような場合には、１μｍ程度の間隙ではスライド部から液体が漏れる問題が発生する。このため、内部を流れる流体の圧力が高圧の場合においても、漏れ量を少なくするためには、図５に示す間隙Ｌを小さくすることが考えられ、間隙を小さくする方法の1つとして間隙の両側から加圧する方法を用いることができる。このように、両側を加圧することにより１μｍ以下の間隙が容易に得られる。
【００６６】
図１７は、相対移動する部材の間から液体が漏れることを防止するために相対移動する部材に対して、流体が漏れ出さない方向に力Ｆを加えることを示している。図１７では微細流路は左右方向にあり、液体の漏れを少なくするためには、バネや油圧機構などの加圧機構を設け、第１の部材１１、第３の部材１３を両側から抑えることが望ましい。
【００６７】
この具体例を、図１８に示す。図１８は、図１７に示した両側からの押し付けによる流体の漏れを減少させる方法を示している。スライドあるいは相対移動により流路の分離、再結合を行うためには第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３の位置を管理することが必要である。そこで第２の部材１２をスライド移動させるためには第１の部材１１、第３の部材１３を横方向に位置管理可能なリニアスライド機構３８などに固定する。固定方法はチップ１を直接固定してもよいし、リニアスライド機構３８に固定されたチップ保持部材３９により固定してもよい。
【００６８】
図１８に示したように、上下方向にスライド移動させる場合には液体の漏れ量を減少させるためには左右方向に第２の部材１２を押しつぶす方向に力をかければよい。力をかける材料としてバネや空圧、油圧などが考えられる。力を加える方法は直接チップにこれらの部材から力を与えてもよいし、チップを固定したチップ保持部材３９に力を加えてもよい。
【００６９】
次に、上述した、位置センサ３５、動力源３６、加圧機構４３をマイクロチップ１上に搭載した例について、図１９を用いて説明する。
【００７０】
図１９（ａ）に示すように、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１は、可動する第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３、位置センサ３５、動力源３６、加圧機構４３を備える。図１９（ｂ）は、図１９（ａ）の断面図を示す。第１の部材１１と第３の部材１３は、横方向にのみ可動できるように上下方向には間隙を数μmとしている。マイクロチップ１内には板バネなど力を加えることができる加圧機構４３があり、これらに連結した第１の部材１１と第３の部材１３は第２の部材１２を締め付ける方向に力を加えることができる。動力源３６や位置センサ３５により、第２の部材１２は図１９（ａ）における平面の上下方向にスライド移動する。これにより、第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３の内部に配置された微細流路が分離・結合を行い、微細流路内部の流体の流れを制御することが可能となる。
【００７１】
（バルブ装置内部の流体の処理あるいは検出）
次に、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１に備えられる流体の処理部及び検出部について説明する。
【００７２】
本発明の実施形態に係る化学分析装置３は、図２０〜２３に示すように、第１の微細流路２１、第２の微細流路２２、第３の微細流路２３内を流れる流体に、物理的あるいは化学的処理、あるいは流体の物理的あるいは化学的性質の検出を行う手段を備える。
【００７３】
図２０及び図２１は、図１〜３において説明したスライドバルブの前後に、物理的・化学的な処理部を配置した例を示す。
【００７４】
図２０では、左上に配置された２本の流路のＹ字型合流構造により異種類の流体の混合を行うことができる。また、第２の部材１２を上にスライド移動させ、上側の第１の微細流路２１と上側の第３の微細流路２３とを第２の微細流路２２により連結すれば、上側の流路構造により混合反応を行うことができる。即ち、第１の部材１１上の試料導入孔５より導入された試料は、混合部７において混合され、混合された試料は、第２の微細流路２２、上側の第３の微細流路２３を通過し、試料導出孔６へ排出される。
【００７５】
この状態において、第２の部材１２を下にスライド移動させ、下側の第１の微細流路２１と下側の第３の微細流路２３とを第２の微細流路２２によって連結させる。このとき、第２の微細流路２２中には、混合液が充填されている。そして、下側の第１の微細流路２１へキャリアー液を流すことにより、第２の微細流路２２内に充填された流体をキャリアー液中に定量的に切取り、下側の第３の微細流路２３へとインジェクションすることができる。そして、下側の第３の微細流路２３に設けられた検出部８によって、第２の微細流路２２によって定量された流体に対しての検出を行うことが可能となる。
【００７６】
また、図２１では、第２の部材１２を上下にスライド移動させることにより、第１の部材１１内部の微細流路２１と第３の部材２３内部の微細流路２３を一組ずつ連結することができる。例えば、第１の部材１１のそれぞれの試料導入孔５から、洗浄液、純水、試料、反応液などを流すように圧力をかけておけば、第２の微細流路２２のスライド移動により第３の部材２３に連結する流路を変えることにより、第３の微細流路２３に連結された反応部２５及び検出部８にこれらの流体を切り替えて流すことが可能となる。
【００７７】
図２１では、スライドバルブ後に反応部２５及び検出部８を示したが、物理的・化学的な処理部はこの二つに限らず、その配置についてもスライドバルブの前においても構わない。
【００７８】
図２２は、相対的なスライド移動とその前後に配置された物理的・化学的な処理や検出が概平面上に配置したマイクロチップ１を示している。図２２に示すように、第１の部材１１及び第２の部材１２上には、混合部７、検出部８、加熱部９、カラム分離１０が概平面上に配置されている。概平面上に配置することにより、マイクロチップ１間で流体を移動させる際に、コネクタ部分や連結チューブ部分で生じるデッドボリュームを極力抑えることが可能となる。また、図２３に示すように、物理的あるいは化学的な処理部や検出部は、スライド移動する第２の部材１２に配置されていてもよい。
【００７９】
（マイクロチップ間の接続）
次に、本発明の実施形態に係るマイクロチップ１を連結した例について、図２４及び図２５を用いて説明する。
【００８０】
図２４では、上側に配置されたマイクロチップ1は、第１の部材１１、第２の部材１２及び第３の部材１３を有し、これらの部材のスライド移動により流体を制御し、下側に配置されたマイクロチップ１は、検出部８を有する。上側に配置されたマイクロチップ１には下側に、下側に配置されたマイクロチップ１には上側にそれぞれ位置が管理された試料貫通孔２６を設け、これらを貼り合わせることにより上下のマイクロチップ１の間で流体の流通を行う。上下のマイクロチップ１間の流体の導通はコネクタを介して行ってもよいことは勿論である。このような立体構造をとることにより、流体の制御、反応、検出など処理のマイクロチップ１を組み合わせて全体の処理を構築することができる。
【００８１】
また、図２５は複数のマイクロチップ１を連結した別の例を示している。図２４では、複数のマイクロチップ１を立体的に縦方向に貼り合わせることにより連結したが、図２５に示すように、複数のマイクロチップ１を並列に配置することにより、任意の方向で連結しても構わない。連結方法としては、コネクタ、チューブによって接続してもよく、複数に配置するマイクロチップ１のうちスライド移動をさせないものについてはホルダーなどに納めて並列に配置することにより接続しても構わない。
【００８２】
（化学分析システム）
次に、上述したマイクロチップ、位置センサ、動力源などを含む化学分析システムについて説明する。図１９などでは、マイクロチップ１上に、位置センサ３５、動力源３６、加圧機構４６を設けたが、これらはマイクロチップ１外に設けられてもよい。
【００８３】
本発明の実施形態に係る化学分析システム２は、図２６に示すように、マイクロチップ１と、位置センサ３５と、動力源３６と、位置センサ３５の情報を元に、動力源３６の動作を制御する制御部３７とを備える。相対移動により部材内部の微細流路の分離、結合を行うためには相対移動量を制御する必要がある。そこで絶対移動量、相対移動量を検知する位置センサとそれに連結した制御部とそれに連結した動力源を用意する。位置センサからの情報を元に制御部で相対移動させるために必要な動力を計算し、動力源に伝え、相対移動量を制御する。
【００８４】
また、本発明の実施形態に係る化学分析システム２は、第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３の移動方向を制限するガイド機構や、部材間の間隙を小さくするように加圧する加圧機構とを備えてもよい。
【００８５】
また、図２７は、基材４２上に化学分析システム２を装置として構築した場合の例を示す。基材４２の上に相対移動させるマイクロチップ１を保持するチップ保持部材３９を設け、この上にマイクロチップ１を固定する。相対移動で移動させる第２の部材１２には基材４２に固定された動力源３６を連結する。尚、相対移動で移動させる部材が第２の部材１２以外の場合には、他の部材に動力源３６とを連結する。また、動力源３６と移動させる部材（ここでは第２の部材１２）とは移動に適切な連結部材４１により連結される。また、必要があれば移動部材の位置が測定できる位置センサ３５を設置し、移動部材の位置を測定する。
【００８６】
（本実施形態に係るバルブ装置、化学分析装置及び化学分析システムの作用及び効果）
本発明の実施形態に係るバルブ装置（マイクロチップ）１によると、デッドボリュームが極めて少ないマイクロバルブを実現することができる。
【００８７】
また、マイクロチップ内の微細流路の一部をマイクロチップ毎に、相対移動させることにより、微細流路の分離・結合を行い、微細流路内の流れを制御することができる。
【００８８】
更に、相対移動する部材の形状、相対移動する部材内部の流路構造を変えることにより、微細流路内の流体の切り替え、微細流路による切取りインジェクションなどの機能を実現することが可能となる。
【００８９】
（その他の実施の形態）
本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００９０】
例えば、図２において、第１の部材１１、第２の部材１２は、それぞれ１本の微細流路（第１の微細流路２１、第２の微細流路２２）しか有しないが、これらの部材中に含まれる微細流路の本数、構造は任意で構わない。他の図面に示された微細流路についても同様である。
【００９１】
また、図１において、マイクロチップ１は、３つの部材（第１の部材１１、第２の部材１２、第３の部材１３）からなり、主に第２の部材１２がスライド移動する例について記したが、部材の個数も、移動する部材の個数も多数あって構わない。
【００９２】
なお、図面などの説明をした際に、マイクロチップ１などの大きさや高さを記述したが、これは例示として挙げた数値であり、この数値に限られるわけではないことは勿論である。
【００９３】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本実施形態に係るマイクロチップの模式図である（その１）。
【図２】本実施形態に係るマイクロチップの模式図である（その２）。
【図３】本実施形態に係るマイクロチップの模式図である（その３）。
【図４】本実施形態に係るマイクロチップの平行度を示す図である。
【図５】本実施形態に係るマイクロチップの部材間の間隙を示す図である。
【図６】本実施形態に係るマイクロチップの表面粗さを示す図である。
【図７】本実施形態に係るマイクロチップに備えられた膜を示す図である。
【図８】本実施形態に係るマイクロチップの製造方法を示す図である（その１）。
【図９】本実施形態に係るマイクロチップの製造方法を示す図である（その２）。
【図１０】本実施形態に係るマイクロチップの流路切り替え機能を示す図である（その１）。
【図１１】本実施形態に係るマイクロチップの流路切り替え機能を示す図である（その２）。
【図１２】本実施形態に係るマイクロチップの流路切り替え機能を示す図である（その３）。
【図１３】本実施形態に係るマイクロチップの位置センサを示す図である。
【図１４】本実施形態に係るマイクロチップの動力源を示す図である。
【図１５】本実施形態に係るマイクロチップのガイド機構を示す図である（その１）。
【図１６】本実施形態に係るマイクロチップのガイド機構を示す図である（その２）。
【図１７】本実施形態に係るマイクロチップの加圧機構を示す図である（その１）。
【図１８】本実施形態に係るマイクロチップの加圧機構を示す図である（その２）。
【図１９】本実施形態に係るマイクロチップの加圧機構を示す図である（その３）。
【図２０】本実施形態に係る化学分析装置の検出部を示す図である。
【図２１】本実施形態に係る化学分析装置の反応部を示す図である。
【図２２】本実施形態に係る化学分析装置の処理部及び検出部示す図である（その１）。
【図２３】本実施形態に係る化学分析装置の処理部及び検出部示す図である（その２）。
【図２４】本実施形態に係るマイクロチップの連結例である（その１）。
【図２５】本実施形態に係るマイクロチップの連結例である（その２）。
【図２６】本実施形態に係る化学分析システムを示す模式図である（その１）。
【図２７】本実施形態に係る化学分析システムを示す模式図である（その２）。
【符号の説明】
【００９５】
１ バルブ装置（マイクロチップ）
２ 化学分析システム
３ 化学分析装置
５ 試料導入孔
６ 試料導出孔
７ 混合部
８ 検出部
９ 加熱部
１０ カラム分離
１１ 第１の部材
１２ 第２の部材
１３ 第３の部材
２１ 第１の微細流路
２２ 第２の微細流路
２３ 第３の微細流路
２５ 反応部
２６ 試料貫通孔
３０ 膜
３１ ガイド機構
３３ バネ
３５ 位置センサ
３６ 動力源
３７ 制御部
３８ リニアスライド機構
３９ チップ保持部材
４１ 連結部材
４２ 基材
４３ 加圧機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が移動可能な複数の第１の流路を有する第１の部材、該第１の部材に隣接し、前記複数の第１の流路に連通可能な第２の流路を有する第２の部材、該第２の部材に隣接し、前記第２の流路に連通可能な第３の流路を有する第３の部材を備え、前記第１の部材、前記第２の部材及び前記第３の部材が相対的に移動することにより、前記複数の第１の流路の一つと前記複数の第２の流路の一つを連通させ、また、前記複数の第１の流路のそれぞれを流れる流体の流れを前記第２の部材の前記第1の部材との第１の隣接面により停止させ、前記複数の第２の流路のそれぞれを流れる流体の流れを前記第３の部材の前記第２の部材との第２の隣接面により停止させるバルブ装置と、
前記第３の部材において前記第３の流路に連結され、前記複数の第１の流路の一つから前記複数の第２の流路の一つを通って前記第３の流路内を流れる流体に物理的あるいは化学的処理を行う反応部
とを備えることを特徴とする化学分析装置。
【請求項２】
流体が移動可能な複数の第１の流路を有する第１の部材、該第１の部材に隣接し、前記複数の第１の流路に連通可能な第２の流路を有する第２の部材、該第２の部材に隣接し、前記第２の流路に連通可能な第３の流路を有する第３の部材を備え、前記第１の部材、前記第２の部材及び前記第３の部材が相対的に移動することにより、前記複数の第１の流路の一つと前記複数の第２の流路の一つを連通させ、また、前記複数の第１の流路のそれぞれを流れる流体の流れを前記第２の部材の前記第1の部材との第１の隣接面により停止させ、前記複数の第２の流路のそれぞれを流れる流体の流れを前記第３の部材の前記第２の部材との第２の隣接面により停止させるバルブ装置と、
前記第３の部材において前記第３の流路に接続され、前記複数の第１の流路の一つから前記複数の第２の流路の一つを通って前記第３の流路内を流れる流体に物理的あるいは化学的処理を行うカラム分離
とを備えることを特徴とする化学分析装置。
【請求項１】
流体が移動可能な複数の第１の流路を有する第１の部材、該第１の部材に隣接し、前記複数の第１の流路に連通可能な第２の流路を有する第２の部材、該第２の部材に隣接し、前記第２の流路に連通可能な第３の流路を有する第３の部材を備え、前記第１の部材、前記第２の部材及び前記第３の部材が相対的に移動することにより、前記複数の第１の流路の一つと前記複数の第２の流路の一つを連通させ、また、前記複数の第１の流路のそれぞれを流れる流体の流れを前記第２の部材の前記第1の部材との第１の隣接面により停止させ、前記複数の第２の流路のそれぞれを流れる流体の流れを前記第３の部材の前記第２の部材との第２の隣接面により停止させるバルブ装置と、
前記第３の部材において前記第３の流路に連結され、前記複数の第１の流路の一つから前記複数の第２の流路の一つを通って前記第３の流路内を流れる流体に物理的あるいは化学的処理を行う反応部
とを備えることを特徴とする化学分析装置。
【請求項２】
流体が移動可能な複数の第１の流路を有する第１の部材、該第１の部材に隣接し、前記複数の第１の流路に連通可能な第２の流路を有する第２の部材、該第２の部材に隣接し、前記第２の流路に連通可能な第３の流路を有する第３の部材を備え、前記第１の部材、前記第２の部材及び前記第３の部材が相対的に移動することにより、前記複数の第１の流路の一つと前記複数の第２の流路の一つを連通させ、また、前記複数の第１の流路のそれぞれを流れる流体の流れを前記第２の部材の前記第1の部材との第１の隣接面により停止させ、前記複数の第２の流路のそれぞれを流れる流体の流れを前記第３の部材の前記第２の部材との第２の隣接面により停止させるバルブ装置と、
前記第３の部材において前記第３の流路に接続され、前記複数の第１の流路の一つから前記複数の第２の流路の一つを通って前記第３の流路内を流れる流体に物理的あるいは化学的処理を行うカラム分離
とを備えることを特徴とする化学分析装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【公開番号】特開２００７−２５５７１７（Ｐ２００７−２５５７１７Ａ）
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１６７０３０（Ｐ２００７−１６７０３０）
【出願日】平成１９年６月２５日（２００７．６．２５）
【分割の表示】特願２００３−３１７５５７（Ｐ２００３−３１７５５７）の分割
【原出願日】平成１５年９月９日（２００３．９．９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）「国などの委託研究の成果に係る特許出願（平成１５年度新エネルギー・産業技術総合開発機構「高効率マイクロ化学プロセス技術」委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）」
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（５９１２４３１０３）財団法人神奈川科学技術アカデミー (271)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月２５日（２００７．６．２５）
【分割の表示】特願２００３−３１７５５７（Ｐ２００３−３１７５５７）の分割
【原出願日】平成１５年９月９日（２００３．９．９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）「国などの委託研究の成果に係る特許出願（平成１５年度新エネルギー・産業技術総合開発機構「高効率マイクロ化学プロセス技術」委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）」
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（５９１２４３１０３）財団法人神奈川科学技術アカデミー (271)
【Ｆターム（参考）】
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