流体制御方法及び装置
【課題】設計費、初期費を軽減することのできる流体制御方法を提供する。
【解決手段】流路はマイクロ流体デバイス内に形成され、流路内を流れる液体の温度を変化させるための流量制御部をもっている。マイクロ流体デバイス内に存在する流量制御部の数よりも多くの熱源が２次元配列に配置された温度制御部材をマイクロ流体デバイス上に設け、熱源のうち流量制御部上に配置されている熱源を選択的に作動させることにより対応する流量制御部を介して流路内を流れる液体の流量を制御する。
【解決手段】流路はマイクロ流体デバイス内に形成され、流路内を流れる液体の温度を変化させるための流量制御部をもっている。マイクロ流体デバイス内に存在する流量制御部の数よりも多くの熱源が２次元配列に配置された温度制御部材をマイクロ流体デバイス上に設け、熱源のうち流量制御部上に配置されている熱源を選択的に作動させることにより対応する流量制御部を介して流路内を流れる液体の流量を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体制御方法及び装置に関し、特に、流体が通過する流路内における流体制御方法に関するものである。例えば、マイクロマシニング技術により作製される統合型小型分析システム（μＴＡＳ）のマイクロ流体デバイス内で、主に液体の流速や流量を制御する方法について用いられる。
【背景技術】
【０００２】
様々な産業プロセスにおいて、気体や液体の流速や流量を制御する技術は必要不可欠である。一般的には、流路に設置された比例弁の開き具合を調整して、その流速または流量を調整する。比例弁の大きさが日常的なもの、例えばミリオーダー以上であれば、その構造は流体の通過する断面積を変化させる機械的な構造で十分満足できる。
【０００３】
ところが、マイクロマシニング分野での、ミクロンオーダー領域やサブミクロンオーダー領域では、そのような比例弁を作製することが非常に困難になる。マイクロオーダー以下の流路における流体を制御する方法として、例えば非特許文献１〜４に開示された方法がある。
【０００４】
非特許文献１には、刺激応答性ゲルを利用した方法が開示されている。この方法は、ゲルの膨張と収縮を利用して、弁の開閉を行なう。ゲルの膨張と収縮は、温度やｐＨの刺激に応答して体積を変化させることによって行なわれる。
非特許文献２には、電気化学反応を利用した方法が開示されている。この方法は、電気化学反応により流路に気泡を発生させ、バルブ機能を作り出す方法である。
非特許文献３には、流路を変形させる方法が開示されている。この方法は、空気圧で流路を物理的に変形させて、流量を変化させる方法である。
非特許文献４には、流路に機械的にピンを設置する方法が開示されている。この方法は、点字ディスプレーを用いて、流路にピンを押し出して、流路を物理的に塞ぎ、流量を変化させる方法である。
【０００５】
また、微少な流体を扱う装置として、特許文献１や特許文献２に開示されたものがある。特許文献１には、複数流体の混合比を安定化させるマイクロ総合分析システムが開示されている。特許文献２には、マイクロ流体デバイスの温度制御システムが開示されている。
【特許文献１】特開２００６−２６６９２３号公報
【特許文献２】特開２００８−１５７９３２号公報
【非特許文献１】Ｎａｔｕｒｅ，２０００年，４０４巻，ｐ．５８８−５９０
【非特許文献２】Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．，２００２年，７４巻，ｐ．６３９２−６３９６
【非特許文献３】Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０００年，２８８巻，ｐ．１１３−１１６
【非特許文献４】Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ，２００４年，１０１巻，ｐ．１５８６１−１５８６６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１に開示された刺激応答性ゲルを利用した方法は、ゲルと化学反応しない流体に限られるという問題があった。また、この方法は、１００％開、１００％閉のバルブを実現できても、一定の開度を制御するという場合、ゲルの膨張収縮再現性、刺激に対する再現性に問題があり、安定制御が困難であるという問題があった。
【０００７】
非特許文献２に開示された電気化学反応を利用した方法は、前記の刺激応答性ゲルを利用した方法と同じく、１００％開、１００％閉のバルブを実現できても、一定の開度を制御するという場合、安定制御が困難であるという問題があった。また、発生した気泡が消滅するのには時間がかかるし、気泡を再現性よく消失させることができないという問題もあった。また、電気化学反応に応じる流体しか適用できないという問題もあった。
【０００８】
非特許文献３に開示された流路を変形させる方法は、前記の刺激応答性ゲルを利用した方法と同じく、１００％開、１００％閉のバルブを実現できても、一定の開度を制御するという場合、安定制御が困難であるという問題があった。また、流路を圧力により変形させる場合、流路が圧力によって撓む材料に限定されることと、長年の撓み動作が、内部に疲労を生じさせ、寿命が短いという問題があった。また、撓む材料は、本質的に他の要因でも撓む。例えば流体自体の圧力や、環境温度変動、環境大気圧変動が流量制御誤差の要因となる。
【０００９】
非特許文献４に開示された流路に機械的にピンを設置する方法は、前記の刺激応答性ゲルを利用した方法と同じく、１００％開、１００％閉のバルブを実現できても、一定の開度を制御するという場合、安定制御が困難であるという問題があった。また、流体は、ピンの材料と化学反応しないものに限定されるという問題があった。さらに、ピンの押出し機構は、微細な機械的機構であり、高価かつ複雑であり、長期信頼性に欠けるという問題もあった。さらに、ピンの押出し機構部と接液部とのシール性が悪く、液漏れの問題もあった。
【００１０】
このように、非特許文献１に開示された方法は、特殊な材料や特殊な構造体を用いてそれを実現している。さらにその機能は、流量を流す又は止めるというオン又はオフの制御しかできない単なる弁の機能しか実現できないものもある。また、これらの方法の短所は、構造が複雑なところから、故障頻度が高く長期使用の信頼性がないこと、同時に作製コストの高いことがある。また、特殊な材料を使用している場合は、その材料と流体との親和性や耐久性が問題になることが多く、対象流体が制限されることがある。総合的に、何年にもわたって、確実に所望の流速、流量を制御できる構造体として、未だ使用に耐えないものばかりである。
【００１１】
特許文献１にはマイクロ総合分析システムが開示されている。特許文献１に記載されている分野が、本発明が一番活躍する領域であるため、あえてこの従来技術の問題点を明かしておきたい。
特許文献１のマイクロ総合分析システムは、流体を合流して混合する場合、流路抵抗、具体的には流路断面積、流路長さを、混合比に応じて変えて検査チップを作製する。混合比を安定化させる必要性、背景は、特許文献１の段落［０００１］〜［０００４］に記載されている。ただ、その解決方法が、課題の本質的な解決になっていない。その課題は、流量が目標値からずれてくるという問題で、その原因は、特許文献１の段落［０００３］に記載されている。ここで記載されている方法でも、マイクロポンプの能力の経時変化、流体の物性変化、流路の形状の経時変化、環境変化により時間とともに流量が変化する。
【００１２】
微細流路が設けられた検査チップ内で検体液と反応試薬液を混合する場合、微細流路に液体同士の混合する箇所が設けられている。検体液と反応試薬液の混合比はそのプロセスにより様々である。微細流路内に液体を流す方法は、検査チップ内に設けられたマイクロポンプを用いたり、検査チップへの所定箇所へ圧力を加えたり、検査チップの所定箇所から吸引したりする方法がある。どの方法でも、圧力と流路の抵抗により流速や流量が決まる。従来技術では、液体同士の混合比は、流路の抵抗がおよそその値になるように設計している。しかし、転写形成時の誤差による流路サイズ誤差に伴う流量誤差や流速誤差、環境温度変動による流路サイズ誤差、流体粘度変化などに起因して、混合比は必ずしも初期設計値にはならない。このようなことから、検体液と反応試薬混合による化学反応は常に安定している状況ではなく、検査チップが誤判定になるという問題があった。
【００１３】
また、特許文献２にはマイクロ流体デバイスの温度制御システムが開示されている。流体の温度を制御する場合の従来方法の問題点が、特許文献２の段落［０００６］〜［００１１］に記載されている。マイクロ流体デバイスは、数ｃｍ（センチメートル）×数ｃｍ程度の大きさであり、流路サイズは２００μｍ（マイクロメートル）以下である。そのような微細な構成で、各部分の温度管理は非常に重要なことであるが、特許文献２に開示された方法も含めてよい方法がない。また、非特許文献１〜４及び特許文献１に開示された流体の流量や流速の制御方法は、流路の温度制御と密接にかかわっているため、特許文献２の段落［０００６］〜［００１１］に記載された問題が発生する。
【００１４】
そこで本発明は、従来技術と比較して、流体の流量の制御を簡単な構造で実現でき、故障が少なく、安価で、かつ装置を微少化することができる流体制御方法及び装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、流路内を流れる流体の温度を変化させることにより、前記流体の粘度を変化させ、前記流路内での前記流体の流量を変化させる流体制御方法である。
本発明にかかる流体制御方法は、流体の粘度がその温度により変化するという物理現象を立脚点にしている。一般に、温度が上がれば、液体は粘度が下がり、気体は逆に粘度が上がる。これは分子の力学的な振る舞いから説明できる現象である。従来は、この温度変化による粘度の変化が流体制御の邪魔になる要因として、それがないように流体温度を一定に制御したり、粘度の多少の変化が流体制御に影響を及ぼさないような構造したりすることが提案されていた。本発明は、逆にこの邪魔な要因を積極的に使用して、流体の流量の制御を行なう。ここで、本発明は、流体の流量を制御するとともに、流体の流速も制御できる。
【００１６】
代表的な流体である水の温度と粘度の変化の関係を示すグラフを図１８に示す。図１８において、横軸は温度（℃（摂氏温度））を示し、縦軸は粘度Ｐａ・ｓ（パスカル秒）を示す。
０.１ＭＰａ（メガパスカル）の大気圧において、０℃から１００℃までが液体として存在するので、その温度範囲にて水の流量や流速の制御が可能である。一定温度で一定圧力の水は一定流量流れる。ここで、水の温度を上げると、流量は上昇し、水の温度を下げると流量が減る。これは、水は温度が上がる粘度が減少して流れやすくなるためである。厳密には細管の温度も流体の温度にともなって変化し、温度上昇とともに膨張する材質（一般的な物質はこれに従う）であるならば、細管の径が増加して流体が増加する効果もある。
【００１７】
本発明の流体制御方法において、流路内の流体の温度を変化させる手段として、流路の温度を変化させることを挙げることができる。具体的には、流路の温度を変化させることにより、流路内の流体の温度を変化させてその流体の粘度を変化させ、流体の流量を変化させる。
【００１８】
本発明の流体制御方法では、流路はマイクロ流体デバイス内に形成されたものであり、流路内を流れる液体の温度を変化させるための流量制御部をもっており、前記マイクロ流体デバイス内に存在する流量制御部の数よりも多くの熱源が２次元配列に配置された温度制御部材を前記マイクロ流体デバイス上に設け、前記熱源のうち前記流量制御部上に配置されている熱源を選択的に作動させることにより対応する前記流量制御部を介して前記流路内を流れる液体の流量を制御する。
【００１９】
マイクロ流体デバイスとは、少なくとも２つの基材を用い、一方の基材の表面又は両方の基材の表面に溝を形成しておき、それらの基材を貼り合わせることによって２つの基材の接合面に流路を形成したものである。また、表面から裏面に貫通する溝を形成した基材を２つの基材で挟み込んで内部に形成したマイクロ流体デバイスもある。マイクロ流体デバイスは例えば特許文献２に開示されている。
【００２０】
流路の温度を変化させる熱源として、例えば、ペルチェ素子、ヒーター、流路に光を照射するための光源を挙げることができる。前記ヒーターの一例として半導体素子を挙げることができる。ただし、ヒーターは他の構造からなるものであってもよい。また、前記流路に光を照射するための光源として、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）、半導体レーザーを挙げることができる。ただし、前記光源はこれらに限定されるものではない。また、光源と光ファイバーを用い、前記光源から前記光ファイバーの入射端に入れた光を前記光ファイバーの出射端から出射させて前記流路に光を照射するようにしてもよい。
【００２１】
好ましい形態では、前記温度制御部材は前記熱源が平面内の互いに直交する方向に沿って配列されたものであり、前記流量制御部上に配置されている前記熱源の位置を示すアドレスデータを保持しておき、そのアドレスデータを基にして前記熱源を選択的に作動させる。
【００２２】
本発明の流体制御方法において、前記流路の温度を下げて前記液体を固体化させることによって前記流路を詰まらせて前記液体の流量を遮断するようにしてもよい。さらに、前記流路の温度を元に戻して又は上昇させて、固体化された前記液体を液体化させて前記流路を開通させることもできる。
【００２３】
また、前記流路の内部に障害物が設置されているようにしてもよい。
また、前記流路は曲線上に設置されているようにしてもよい。
また、前記流路は、温度制御される部分の流路断面積が他の部分の流路断面積に比べて小さく形成されているようにしてもよい。
【００２４】
本発明の流体制御方法において、前記流路の配管長さと、前記流路内を流れる前記流体の流速、密度及び粘度を調整して、前記流体が層流状態又は乱流状態に切り替わる境界条件に設定しておき、前記流路又は前記流体の温度変化で前記流体の粘度を変化させて流体を層流状態から乱流状態へ、又はその逆に変化させることによって前記流体の流量を変化させる例を挙げることができる。
【００２５】
また、前記流路又は前記流体の設定温度と前記流体の流量との関係を予め取得しておき、その関係を示すデータに基づいて所望の流量を得るようにしてもよい。
【００２６】
また、下流側の合流部で合流する複数本の前記流路を用い、それらの流路の温度を制御してそれらの流路内を流れる流体の流量を制御することによって複数本の前記流路から前記合流部に供給される流体の比率を制御するようにしてもよい。
【００２７】
本発明の流体制御装置は、流路内を流れる液体の温度を変化させるための流量制御部をもつ少なくとも１つの流路が形成されたマイクロ流体デバイスと、前記マイクロ流体デバイス上に設けられ、前記マイクロ流体デバイス内に存在する前記流量制御部の数よりも多くの熱源が２次元配列に配置された温度制御部材と、を備え、前記熱源のうち前記流量制御部上に配置されている熱源を選択的に作動させることにより対応する前記流量制御部を介して前記流路内を流れる液体の流量を制御するようにしたものである。
【００２８】
前記熱源は、例えばヒーター、ペルチェ素子、ＬＥＤ又は半導体レーザーである。
【００２９】
好ましい形態では、前記流路内を流れる液体の流量を制御するマイクロコンピュータを備え、前記温度制御部材は前記熱源が平面内の互いに直交する方向に沿って配列されたものであり、前記マイクロコンピュータは前記流量制御部上に配置されている前記熱源の位置を示すアドレスデータを保持しており、そのアドレスデータを基にして前記熱源を選択的に作動させるものである。
【００３０】
一形態では、前記流路は、ガラス部材、半導体部材又は金属部材の一部分がエッチング技術によって除去されて形成されたものである。
他の形態では、前記流路はフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によって形成された型を樹脂に転写形成することによって形成されたものである。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の流体制御方法及び装置では、温度制御部材はマイクロ流体デバイス内に存在する流量制御部の数よりも多くの熱源が２次元配列に配置されたものであり、それらの熱源のうち流量制御部上に配置されている熱源を選択的に作動させるようにしたので、流量制御部上に配置されていない熱源は無駄になるが、トータル費用として設計費及び初期費が軽減できる。この方法の方が流量制御部ごとに熱源を配置する場合に比べて安く生産できる。
【００３２】
また、本発明の流体制御方法及び装置において、流路がマイクロ流体デバイス内に形成されたものであり、マイクロ流体デバイスでの液体の温度を制御するので、マイクロ流体デバイスに、２次元配列したヒーター又はペルチェ素子を貼り付けることによって、マイクロ流体デバイス内で、温度制御したい部分のヒーター又はペルチェ素子に通電することにより、局所的に温度の上昇、下降の制御ができる。これにより、マイクロ流体デバイス内の、複数ある混合部、反応部、分析部などの箇所を独立に温度制御することもできる。ヒーターの機能は加温だけであるが、マイクロ流体デバイス各部のサイズが小さいため放熱速度も速く、ヒーターをオフすることにより、すぐにマイクロ流体デバイスが設置されている環境温度になる。ペルチェ素子は、ペルチェ素子に流れる電流を反転させることにより加温と冷却が可能であり、２次元配列したペルチェ素子群は、マイクロ流体デバイス各部を独立に温度制御可能である。
本発明の流体制御方法及び装置では、液体が通過する流路の温度を変化させて、前記液体の温度を変化させることにより、前記液体の粘度を変化させ、前記液体の流量を変化させるようにしたので、従来技術と比較して、簡単な構造で液体の制御を実現できる。これにより、故障が少なく、安価で、かつ装置を微少化することができる。さらに、従来技術では、安定した流量の可変制御が困難であったが、本発明の流体制御方法はそれを実現できる。
【００３３】
また、流路の内部に障害物が設置されていたり、流路が曲線上に設置されていたり、温度制御される部分の流路断面積が他の部分の流路断面積に比べて小さく形成されていたりするようにすれば、液体の流量が液体の粘度の影響を受けやすくなり、液体の流量の制御性を向上させることができる。
【００３４】
また、本発明の流体制御方法において、流路の配管長さと、流路内を流れる液体の流速、密度及び粘度を調整して、液体が層流状態又は乱流状態に切り替わる境界条件に設定しておき、流路又は液体の温度変化で液体の粘度を変化させて液体を層流状態から乱流状態へ、又はその逆に変化させることによって液体の流量を変化させるようにすれば、液体の流量を急激に変化させることができる。例えば、液体を層流状態から乱流状態にさせることにより、極端に流量を減少させることができる。液体温度と流量には直線的な、可逆的な関係が成り立たないために、細かな流量制御には使えないが、液体の流量をある条件のときに緊急に極端に減少させたいような場合、例えば緊急時のエンジンへの燃料補給減少装置などに特に有効である。
【００３５】
また、前記流路又は前記液体の設定温度と前記液体の流量との関係を予め取得しておき、その関係を示すデータに基づいて所望の流量を得るようにすれば、液体の流量の制御性を向上させることができる。
【００３６】
また、下流側の合流部で合流する複数本の前記流路を用い、それらの流路の温度を制御してそれらの流路内を流れる液体の流量を制御することによって複数本の前記流路から前記合流部に供給される液体の比率を制御するようにすれば、例えば液体や気体を所望の比率に混合することができる。また、流路の温度を変化させることにより、混合する液体の比率を変化させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】一参考例で用いる装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】図１に示した装置の温度調整部の側面図と底面図を示す図である。
【図３】他の参考例で用いる装置の全体構成を示す概略図である。
【図４】図３に示した装置の調液部の平面図と側面図を示す図である。
【図５】図４に示した調液部のガラス部の流路パターンを示す平面図である。
【図６】図５に示したガラス部のミキシング部内における液体の流れを矢印で示す平面図である。
【図７】図５に示したガラス部におけるペルチェ素子及び測温体の配置を説明するための平面図と側面図を示す図である。
【図８】一実施例で用いる検査チップの流路パターンを示す平面図である。
【図９】図８に示した検査チップに貼り付ける温度制御部材のヒーター配列を概略的に示す平面図である。
【図１０】図９の温度制御部材のヒーター配列及びヒーターを制御するためのトランジスタの配置を示す回路図である。
【図１１】検査チップの流路パターンに温度制御部材を貼り付けた状態を示す平面図である。
【図１２】温度制御部材におけるヒーター配列を概略的に示す平面図である。
【図１３】温度制御部材におけるペルチェ素子配列を概略的に示す平面図である。
【図１４】検査チップの流路プレートの流路パターンを示す平面図である。
【図１５】検査チップの回転子プレートの流路パターンを示す平面図である。
【図１６】図１４の流路プレートのバルブを説明するための図である。同実施例の測定部の平面図である。
【図１７】検査チップの使用時の状態を示す平面図と側面図である。
【図１８】水の温度と粘度の変化の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
また、流路の温度を下げて液体を固体化させることによって流路を詰まらせるようにすれば、液体の流量を遮断することができる。さらに、前記流路の温度を元に戻して又は上昇させて、固体化された前記液体を液体化させて前記流路を開通させることもできる。このように、流路の温度を変化させることにより、流路内の液体を凝固させ、また、凝固した液体を融解させることにより、流路に複雑な構造を設けることなく流路自体をバルブとして機能させることができる。
【００３９】
参考例１：日常サイズの実施例：アンモニア水の水希釈例
アンモニア水と純水の混合について、行なった結果を載せる。純水で希釈されたアンモニア水は、例えば半導体業界においてシリコンウェハの洗浄に使われる液である。このアンモニア水をシリコンウェハの洗浄に用いる場合、パーテイクル混入や微量な金属混入が嫌われるが、この実施例では、純水及びアンモニア水の接液部はフッ素樹脂のみであり、アンモニア水の清浄度を十分に保つことができる。
【００４０】
図１はこの参考例で用いる装置の全体構成を示す概略図である。
純水の入った容器１１と、アンモニア水２６ｗｔ％（重量パーセント）の入った容器１２が設けられている。
純水の入った容器１１にＰＦＡ（tetra fluoro ethylene-PerFluoro Alkylvinyl ether copolymer）チューブ１７の一端が接続されている。ＰＦＡチューブ１７はＰＦＡチューブ１７内の液温度を調整するための温度調整部１３に導かれている。チューブ１７の他端は合流部１９に接続されている。
アンモニア水の入った容器１２にＰＦＡチューブ１８の一端が接続されている。ＰＦＡチューブ１８はＰＦＡチューブ１８内の液温度を調整するための温度調整部１４に導かれている。チューブ１８の他端は合流部１９に接続されている。
【００４１】
図２は図１に示した装置の温度調整部の側面図と底面図を示す図である。温度調整部１３，１４は同じ構造をもつ。
例えば外形が３ｍｍ（ミリメートル）、内径が２ｍｍのＰＦＡチューブ１７（１８）が直径６０ｍｍのボビン１に１５回巻き付けられている。ボビン１に巻き付けられている部分のＰＦＡチューブ１７（１８）の長さは、約２.８ｍである。ボビン１の上面にペルチェ素子プレート３が取り付けられている。ペルチェ素子プレート３のボビン１とは反対側の面に放熱フィン４が取り付けられている。ペルチェ素子プレート３へ流す電流で、ペルチェ素子の一方の面は冷却され、他方の面は熱せられる。電流の強弱で、その冷却温度と加熱温度の強弱が決まる。ペルチェ素子プレート３へ流す電流方向を逆にすると、加熱側と冷却側のプレート面が入れ替わる。
【００４２】
図１に戻って説明を続ける。ＰＦＡチューブ１７，１８が接続された合流部１９にＰＦＡチューブ１９の一端が接続されている。ＰＦＡチューブ１９は、ＰＦＡチューブ１９内の液体を混合するためのミキサー１５を介してポンプ１６に導かれている。ポンプ１６は接液部がＰＴＦＥ（Poly Tetra Fluoro Ethylene）製の無脈流ポンプである。
【００４３】
容器１１内の純水と容器１２内のアンモニア水を希釈する動作について説明する。
ポンプ１６を作動させると、容器１１内の純水がＰＦＡチューブ１７内に吸引され、容器１２内のアンモニア水がＰＦＡチューブ１８内に吸引される。ＰＦＡチューブ１７内に吸引された純水は温度調整部１３を介して合流部１９に導かれる。合流部１９に到達した純水及びアンモニア水はＰＦＡチューブ２０内に導かれる。ＰＦＡチューブ２０内に導かれた純水及びアンモニア水は、ミキサー１５で完全に混合された後、ポンプ１６を介してＰＦＡチューブ２０の出口側端部に導かれる。ＰＦＡチューブ２０の出口側端部から希釈されたアンモニア水が吐出される。
【００４４】
図１に示した装置を用い、温度調整部１３，１４の設定温度を変化させて、純水とアンモニア水の混合比について調べた結果を表１及び表２に示す。表１は希釈されたアンモニア水のアンモニア濃度、表２は流量（ｃｃ／秒）を示す。ここでは、純水の温度を調整するための温度調整部１３とアンモニア水の温度を調整するための温度調整部１４をそれぞれ０℃から８０℃の間で変化させた。また、ポンプ１６の吸引力は０.００１ＭＰａであった。この流量であると、温度調整部１３，１４におけるペルチェ素子温度が、温度調整部１３，１４を通過した液の温度と見なしてよい。流量はポンプ吸引力に比例する。ペルチェ素子温度＝液温度が成り立つ流量においては、アンモニア濃度はポンプ吸引力の影響を受けない。
【００４５】
【表１】
【００４６】
【表２】
【００４７】
この構成では、表１から、アンモニア水側の温度０℃（凍結なし条件）と純水側の温度８０℃との条件におけるアンモニア濃度４.１％から、アンモニア水側の温度８０℃と純水側の温度０℃（凍結なし条件）との条件におけるアンモニア濃度２０.９％の間でアンモニア濃度を変化させることができる。
【００４８】
これらは、ポアズイユの法則に従っている。
水側流量：Ｑ１
水側チューブ内半径：ｒ１
水側チューブ側長さ：Ｌ１
水の粘度：η１
ΔＰ：水側チューブの入口と出口の圧力降下
Ｑ１＝π×ｒ１4×ΔＰ／（８×η１×Ｌ１）
【００４９】
アンモニア側流量：Ｑ２
アンモニア側チューブ内半径：ｒ２
アンモニア側チューブ側長さ：Ｌ２
アンモニアの粘度：η２
ΔＰ：アンモニア側チューブの入口と出口の圧力降下
Ｑ２＝π×ｒ２4×ΔＰ／（８×η２×Ｌ２）
【００５０】
アンモニア原液濃度をａとすると、アンモニア濃度（容積比）Ｃは、
Ｃ＝ａ×Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２）
である。η１とη２は、液温度の関数であるため、アンモニア濃度Ｃは温度により変化する。
【００５１】
以上の例は、層流を条件としているが、レイノルズ数Ｒｅ（＝（速度×長さ）／（粘度×密度））が高くなる設定では、乱流になる。
図１に示した装置の構成で、液体の流速、温度調整部１３，１４における配管長さ、送液する液の密度及び粘度を調整して、層流と乱流の切り替わる境界条件に設定しておき、液の温度を上昇させ、粘度を減少させて、層流状態から乱流状態にさせることにより、極端に流量を減少させることができる。液温度と流速には直線的かつ可逆的な関係が成り立たないために、細かな流量制御には使えないが、液体の流量をある条件のときに緊急に極端に減少させたいような場合、例えば緊急時のエンジンへの燃料補給減少装置などに使用できる。
また、緊急時の液の遮断方法として、温度調整部におけるペルチェ素子温度を零下に設定し、配管を凍らせて、液の流れを遮断してもよい。
【００５２】
参考例２：ｍｍサイズの参考例：メタノール希釈例
燃料電池で、携帯機器向けの小型のものとして、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）が注目されている。ＤＭＦＣ型燃料電池の燃料供給には、メタノール濃度３〜５％の濃度のメタノール水溶液が用いられる。メタノール濃度が高いと、メタノールが燃料極で未反応なものが、電解質膜を透過して空気極へ到達するクロスオーバー現象が発生して、発電効率が低下するという問題が発生する。メタノール濃度が低くても、発電効率が落ちる。したがって、常に最適なメタノール濃度を供給することが望まれる。また、濃度の濃いメタノールを、水で最適な濃度に希釈して使用することができれば、ＤＭＦＣ型燃料電池内に収容しておくメタノール燃料の体積を減少することができ、ＤＭＦＣ型燃料電池をより小型にすることができる。希釈に必要な水は、空気極側で発生する水を用いてもよいし、空気中の湿度分を捕集してもよい。
【００５３】
図３はこの参考例で用いる装置の全体構成を示す概略図である。
濃度が３０％のメタノールの入ったタンク１０１と、水の入ったタンク１０２が設けられている。
メタノールの入ったタンク１０１にチューブ１０４の一端が接続されている。チューブ１０４の他端は調液部１０３に接続されている。水の入ったタンク１０２にチューブ１０５の一端が接続されている。チューブ１０５の他端は調液部１０３に接続されている。調液部１０３には、チューブ１０４，１０５からのメタノール及び水が混合された希釈メタノールを流すためのチューブ１０８も接続されている。チューブ１０８はポンプ１０９に接続されている。
【００５４】
図４は図３に示した装置の調液部の平面図と側面図を示す図である。
調液部１３は、ガラスのエッチングで内部に流路が形成されたガラス部１１１と、ガラス部１１１を支持するための金属製の枠部１１０と、チューブ１０４，１０５，１０８をガラス部１１１に接続するための継ぎ手１１２，１１３，１１４を備えている。ガラス部１１１はマイクロ流体デバイスである。
【００５５】
ガラス部１１１の平面サイズは１２.５ｍｍ×３９ｍｍ、厚みは２.２ｍｍである。枠部１１０の外周平面サイズは１９ｍｍ×４６ｍｍ、内周平面サイズは１３ｍｍ×４０ｍｍ、厚みは４.２ｍｍである。枠部１１０には、ネジで継手１１２，１１３，１１４が差し込まれている。枠部１１０の内側に配置されたガラス部１１１は継手１１２，１１３，１１４によって押さえ込まれることによって固定されている。ガラス部１１１は、側面に継手１１２，１１３，１１４に対応する位置に、ガラス部１１１内部の流路につながるテーパー形状の凹部を備えている。継手１１２，１１３，１１４の先端がガラス部１１１側面の凹部に差し込まれることによって流路がシールされて液漏れを防止している。
【００５６】
ガラス部１１１は、流路を形成するための溝が形成されたガラス板を２枚のガラス板で挟み込んだ３層構造になっている。溝を構成するガラス板の厚みは０.２ｍｍである。そのガラス板を挟むための２枚のガラス板の厚みはそれぞれ１ｍｍである。
【００５７】
図５は、ガラス部１１１の流路パターンを示す平面図である。
図４に示すチューブ１０４，１０５が接続される２つの流路１２５，１２６にそれぞれ流量制御部１１５が設けられている。流量制御部１１５は直列に接続された４つの渦巻状の流路を備えている。流量制御部１１５の流路幅、すなわち断面積は、ガラス部１１１の他の流路部分に比べて小さく形成されている。流路１２５と流路１２６は流量制御部１１５よりも下流側で合流されて流路１２７に接続されている。流路１２７の下流側にミキシング部１１６が設けられている。
【００５８】
図６は、ミキシング部１１６内における液体の流れを矢印で示す平面図である。
ミキシング部１１６は２つの広い箇所１２３，１２４を備えている。上流側の広い箇所１２３と下流側の広い箇所１２４は２本の流路１２８，１２９で接続されている。
【００５９】
上流側の広い箇所１２３には流路１２７が接続されている。広い箇所１２３の近傍で流路１２７に流路の細い箇所１２０が設けられている。広い箇所１２３と１２４を接続する２本の流路１２８，１２９の上流側の端部は、細い箇所１２０の両隣の箇所で広い箇所１２３に接続されている。
【００６０】
下流側の広い箇所１２４には下流側の流路１３０が接続されている。広い箇所１２３と１２４を接続する２本の流路１２８，１２９の下流側の端部は、流路１３０の両隣の箇所で広い箇所１２４に接続されている。広い箇所１２４の近傍で流路１２８，１２９に流路の細い箇所１２１，１２２が設けられている。
【００６１】
流路１２７から細い箇所１２０を介して広い箇所１２３に導入された液体は、細い箇所１２０で流速が早くなるので、広い箇所１２３内で渦を発生する（矢印を参照）。広い箇所１２３から、広い箇所１２３と１２４を接続する２本の流路１２８，１２９及び流路の細い箇所１２１，１２２を介して広い箇所１２４に導入された液体は、細い箇所１２１，１２２で流速が速くなるので、広い箇所１２４内で渦を発生する（矢印を参照）。これらの渦により、液体の混合が促進される。
図５に示すように、ミキシング部１１６は２段に設けられているので、図６に示した混合パターンを２段繰り返すことにより、液体は完全に混合される。
【００６２】
図７は、ガラス部１１１におけるペルチェ素子及び測温体の配置を説明するための平面図と側面図を示す図である。
ガラス部１１１の上面に２つのペルチェ素子１１８，１１９が貼り付けられている。ペルチェ素子１１８はメタノールが流される流量制御部１１５の上に配置されている。ペルチェ素子１１９は水が流される流量制御部１１５の上に配置されている。
ガラス部１１１の下面に２つの測温体１３２，１３３が貼り付けられている。測温体１３２，１３３は例えば白金からなる。測温体１３２はメタノールが流される流量制御部１１５の下に配置されている。測温体１３３は水が流される流量制御部１１５の下に配置されている。
図４ではペルチェ素子１１８，１１９及び測温体１３２，１３３の図示は省略されている。
【００６３】
図３，図４及び図７を参照してメタノールを希釈する動作について説明する。
ポンプ１０９を作動させると、容器１０１内のメタノールがチューブ１０４内に吸引され、容器１０２内の水がチューブ１０５内に吸引される。チューブ１０４内に吸引されたメタノール及びチューブ１０５内に吸引された水は調液部１０３に導かれる。調液部１０３に導かれたメタノール及び水はそれぞれガラス部１１１の流量制御部１１５を通過した後に合流し、ミキシング部１１６に導かれて混合されて希釈メタノールとなる。希釈メタノールはガラス部１１１からチューブ１０８に導かれ、ポンプ１０９を介して吐出される。
【００６４】
希釈されたメタノールの濃度が４％よりも濃い場合は、水側の流量を増加させ、メタノール側の流量を減少させるように制御する。具体的には、水側のペルチェ素子１１９の温度を上昇させることによって、水の粘度を低下させて流量を増加させる。さらに、メタノール側のペルチェ素子１１８の温度を下降させることによって、メタノールの粘度を上昇させ、流量を減少させる。それぞれのペルチェ素子１１８，１１９の温度は測温体１３２，１３３で計測している。
この方法により得られる、メタノール温度と水温度とメタノール濃度の関係を表３に示す。
【００６５】
【表３】
【００６６】
メタノール温度はメタノール側ペルチェ素子１１８の測温体１３２の計測値と近く、水温度は水側ペルチェ素子１１９の測温体１３３の計測値と近いので、表３のメタノール温度と水温度は、測温体１３２，１３３の計測値で代用できる。
これにより、水側ペルチェ素子１１９と、メタノール側ペルチェ素子１１８の各温度を調整することにより、メタノール濃度を４％に制御することができる。
【００６７】
この参考例では、液温度を変化させる材料としてペルチェ素子を用いたが、ヒーターを用いてもよい。その場合は、ガラス部１１の流量制御部１１５上にそれぞれに独立した温度制御可能な面ヒーターが貼り付けられる。ガラス部１１の下面にはヒートシンクに設置する。ヒーターのＯＮとともに流量制御部１１５の温度が上昇して、流量制御部１１５を流れる液の温度も上昇する。面ヒーター近辺には測温体を設置しておき、測温体からの温度情報に基づいてヒーターをフィードバック制御する。ヒーターに流す電流を下げれば、放熱により、ヒートシンク温度になじむように温度が下がる。サイズがミリオーダーになると、物体の表面積と体積の比率で表面積側が圧倒的に大きくなるため、放熱スピードは日常レベルと比較して非常に早い。そのため、ヒーターによる加温素子のみでも、十分に温度制御が可能である。
【００６８】
この参考例では、ミキシング部１１６は、迷路のようなパターンを通過させることにより行なったが、ミキシング方法として、流路に障害物を配置する方法や超音波素子による超音波を液に照射して混合する方法などもある。
【００６９】
実施例１：ミクロンサイズの実施例：マイクロリアクタ（マイクロ流体デバイス）としての検査チップ
マイクロリアクタによる分析システムで本発明の流体制御方法を使用した実施例を記載する。検査チップの流路は、基板上に目的に応じて形成される。流体としてはここでは液体である。検査チップに形成されている流路は幅と深さが５０〜２００μｍ程度の微細流路である。その流路の形成方法は、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によって形成された型を樹脂に転写形成することにより大量に作製できる。樹脂は例えばポリスチレンやポリジメチルシロキサンなどが用いられる。
【００７０】
図８は検査チップの流路パターンを示す平面図である。
検査チップ３００に形成されている流路パターンにおける流量制御部は、図５に示したガラス部１１１の流路パターンをもっと微細化して大規模化したものである。このような場合、それぞれの流量制御部に、温度を変化させるためのペルチェ素子やヒーターを設けていてもよい。
【００７１】
しかし、このような検査チップは大量生産によるコスト低減が要求されるため、検査チップの種類毎に流路パターンが変わり、ペルチェ素子やヒーターの位置も変わるために、その都度、ペルチェ素子やヒーターの配置を設計したのではコスト高になる。
【００７２】
そこで、ペルチェ素子又はヒーターを二次元配列した温度制御部材を作成した。温度制御部材は、検査チップサイズ面積と同じか、少し大きい、又は少なくとも検査チップにおける温度制御したい部分の面積と同じか、少し大きい平面サイズをもつ。そして、温度制御部材を検査チップに貼り付ける。温度制御部材を貼り付けた後、検査チップ内の流量制御部と、温度制御部材におけるペルチェ素子又はヒーターとの位置関係を顕微鏡等の検査治具により求める。求めたアドレスデータを例えば検査チップ内蔵のマイクロコンピュータメモリに記憶させる。マイクロコンピュータはそのデータをもとに温度制御部材の所望の箇所、ひいては検査チップの所望の箇所の温度を制御する。
【００７３】
図９は温度制御部材のヒーター配列を概略的に示す平面図である。図１０は温度制御部材のヒーター配列及びヒーターを制御するためのトランジスタの配置を示す回路図である。
【００７４】
ヒーター及びトランジスタが二次元配列された温度制御部材３８８は、シリコン基板に半導体装置製造プロセスを用いて形成される。例えば、Ｘ軸方向に６４個、Ｙ軸方向に６４個で、計４０９６個のヒーターｒ１−１〜ｒ６４−６４の配列３８９が形成されている。ヒーターは、シリコンに金属不純物を添加して半導体にし、そこに電流を流すことにより作製できる。それぞれのヒーターのオン／オフを制御するために、トランジスタをそれぞれのヒーターごとに設けている。
【００７５】
図１０に示す回路の動作は、電極ｈ１から、電極ｈ２へと順番に、トランジスタｔ０−１，ｔ０−２のベース（又はゲート）に電圧を加えて、トランジスタをオンしていく。そして、電極５０２には、各ヒーターｒｉ−ｊ（ｉは１〜６４、ｊは１〜６４）に電流を流すための電源電圧が加えている。電極ｈ１に１ミリ秒だけ５Ｖ電圧を加え、それを０Ｖにした後、電極ｈ２に１ミリ秒だけ５Ｖ電圧を加える。同じことを電極ｈ２，ｈ３，・・・ｈ６４と繰り返し、電極ｈ６４まで行なった後、電極ｈ１に戻り、そのサイクルを繰り返す。
【００７６】
電極５０１には、トランジスタｔｉ−ｊ（ｉは１〜６４、ｊは１〜６４）をオンするための電圧が加えられている。電極ｈ１に電圧が印加されてトランジスタｔ０−１がオンしているとき、トランジスタｔｉ−１（ｉは１〜６４）が制御対象になる。
電極ｒｅｉ（ｉは１〜６４）はトランジスタｔｒｉ−０（ｉは１〜６４）のベースにつながっており、これに電圧を加えるかどうかでトランジスタｔｒｉ−０（ｉは１〜６４）のオン／オフが決定する。
電極ｖｉ（ｉは１〜６４）は、トランジスタｔｉ−０（ｉは１〜６４）のベースにつながっており、これに電圧を加えるかどうかでトランジスタｔｉ−０（ｉは１〜６４）のオン／オフが決定する。
【００７７】
例えば、ヒーターｒ１−１に電流を流したい場合は、トランジスタｔ０−１がオンしている期間だけ、トランジスタｔｒ１−０をオフ、トランジスタｔ１−０をオン、トランジスタｔ１−１をオンにする。そしてヒーターｒ１−１に流れている電流を切りたい場合は、トランジスタｔｒ１−０をオン、トランジスタｔ１−０をオフ、トランジスタｔ１−１をオフにする。
【００７８】
このような動作により、各ヒーターｒｉ−ｊ（ｉは１〜６４、ｊは１〜６４）のオン／オフを制御できる。各ヒーターｒｉ−ｊ（ｉは１〜６４、ｊは１〜６４）のオン時間とオフ時間の比率を変えることにより、ヒーターｒｉ−ｊ（ｉは１〜６４、ｊは１〜６４）への電力供給量を制御でき、ヒーターｒｉ−ｊ（ｉは１〜６４、ｊは１〜６４）の温度を個別に制御できる。これにより、温度制御部材３８８のヒーター配列３８９中の所望の箇所、ひいては検査チップの所望の箇所の温度を制御できる。
【００７９】
ヒーターｒｉ−ｊ（ｉは１〜６４、ｊは１〜６４）をペルチェ素子やＬＥＤに置き換えれば、図９及び図１０を参照して説明したのと同様にして、二次元配列されたペルチェ素子やＬＥＤのオン／オフを個別に制御できる。この場合も、温度制御部材の所望の箇所、ひいては検査チップの所望の箇所の温度を制御できる。
【００８０】
図１１は、検査チップ３００の流路パターンに温度制御部材３８８を貼り付けた状態を示す平面図である。図１１では温度制御部材３８８についてヒーター配列３８９のみを図示している。
【００８１】
大量生産で検査チップ３００に温度制御部材３８８を貼り付けた後、顕微鏡による検査工程で、流路パターンの流量制御部と重ね合わさった箇所のヒーターのアドレスを求める。そのアドレスデータは付随するマイクロコンピュータのメモリに格納される。マイクロコンピュータは、アドレス指定されたヒーターだけをオン／オフ制御するようにプログラミングされている。流量制御部上に配置されていないヒーターは無駄になる。しかし、トータル費用として設計費及び初期費が軽減できる。さらに、この方法の方が流量制御部ごとにヒーターを配置する場合に比べて検査チップを安く生産できる。
【００８２】
検査チップにおいて温度制御を必要とする箇所が流量制御部だけならば、二次元配列されたヒーターのうち温度制御部上には配置されてないヒーターは無駄になる。しかし、マイクロ流体デバイスでは、温度管理の必要な箇所が多々ある。例えば、マイクロ流体デバイス内部に設けられた、核酸配列を検出するためのマイクロリアクタ（微少反応容器）内では、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）が行なわれる。その場合、まず、酵素とプライマーを検体液に混ぜ合わせ、マイクロリアクタに収容する。そしてマイクロリアクタ内部を９４℃で１分間だけ加熱した後、６０℃程度に急速冷却してアニーリングする。その後、マイクロリアクタ内部を６５℃に加熱して１分間保ち、再度９４℃に戻す温度制御サイクルを２０回程度繰り返す。一つの検査チップ内に複数個のマイクロリアクタを設置して、並列で反応を進行させる。酵素、プライマーと検体液の混合比率は、本発明の流体制御方法で確実に行なうことができる。さらに、ヒーター等が二次元配列された温度制御部材をマイクロリアクタ上にも配置しておけば、ＰＣＲの温度管理も温度制御部材を用いて行なうことができる。
【００８３】
また、ヒーターをペルチェ素子に変えてもよい。ペルチェ素子を用いた場合はペルチェ素子に流す電流を反転させることによって冷却することも可能となる。この場合、検査チップにおいて完全に閉じてしまいたい流路は、その流路内の液体を氷結させることによって実現できる。
【００８４】
また、ヒーター配列をＬＥＤ配列にしてもよい。この場合、温度を上昇させたい流体に吸収がある波長の光を発光するＬＥＤを使用し、検査チップの基材である樹脂としてＬＥＤが発光する波長の光をあまり吸収しないものを用いることにより、効率的な熱伝達が可能となる。
【００８５】
この実施例では、ペルチェ素子による冷却による液の凍結による、流路の閉鎖処理を積極的に使用する。ペルチェ素子は、電流反転で加熱と冷却を一つの素子で実現可能である。しかし、ペルチェ素子を二次元配列する場合に一つのペルチェ素子に加熱機能及び冷却機能をもたせようとすると回路が複雑になる。そこで、この実施例では、加熱用ペルチェ素子と冷却用ペルチェ素子を二次元配列した温度制御部材を用いる。ただし、一つのペルチェ素子に加熱機能及び冷却機能をもたせるように回路を形成してもよい。
【００８６】
図１２は温度制御部材におけるヒーター配列を概略的に示す平面図である。図１３は温度制御部材におけるペルチェ素子配列を概略的に示す平面図である。
図１３に示すように、図１２のヒーター配列の１箇所分５１１に、冷却側ペルチェ素子５１２と、加熱側ペルチェ素子５１３を設置する。この場合、冷却側ペルチェ素子５１２及び加熱側ペルチェ素子５１３を制御するための回路は、図１０に示した回路と同様のものを２つ用いる。この温度制御部材は、図１１に示した温度制御部材３８８と同様にして、検査チップ３００に貼り付けられる。
【００８７】
図１４は検査チップの流路プレート３０４の流路パターンを示す平面図である。図１５は検査チップの回転子プレート３０５の流路パターンを示す平面図である。
図８に示した検査チップ３００は、大きく分けて、図１４に示す流路プレート３０４と図１５に示す回転子プレート３０５と、図９に示す温度制御部材３８８によって構成されている。
【００８８】
流路プレート３０４の内部に、液体や気体を流したり収容したりするための流路及び空間が形成されている。回転子プレート３０５は流路プレート３０４の一表面に貼り付けられる。流路プレート３０４の裏面には、図１１に示した温度制御部材３８８と同様にして、冷却側ペルチェ素子及び加熱側ペルチェ素子が二次元配列された温度制御部材が貼り付けられる。
【００８９】
流路プレート３０４において、空間３１９，３３５，３５１，３６７に試薬類が液体として封入されている。流路３１７，３２０，３３６，３５２，３６８，３３３，３４９，３６５は、狭い流路で長さを稼ぐために一定のパターン、ここでは渦巻状の流路パターンになっている。これは前記の実施例２の流量制御部１１５と同様であり、これらの位置に対応するペルチェ素子の設定する温度で、この流路を通過する流体の粘度を変化させ、流速を制御する。初期状態では、水が封入されている。
【００９０】
流路プレート３０４の空間３２１，３３７，３５３，３６９は撹拌部である。それらの内部には微小な樹脂コートされた磁石棒が封入されている。
回転子プレート３０５に、空間３２１，３３７，３５３，３６９の位置に対応して回転子収容部３３０，３４６，３６２，３７８が設けられている。それらの内部にガス流で回転する磁石付きの回転子３２９，３４５，３６１，３７７が収容されている。回転子収容部３３０，３４６，３６２，３７８には、ガス流入側流路３２８，３４４，３６０，３７６と、ガス排出側流路３３１，３４７，３６３，３７９が接続されている。ガス流入側流路３２８，３４４，３６０，３７６は流路プレート３０４の流路３２７，３４３，３５９，３７５に接続されている。ガス排出側流路３３１，３４７，３６３，３７９は合流されてガス排出口３３２に接続されている。磁石付きの回転子３２９，３４５，３６１，３７７が回転することにより、空間３２１，３３７，３５３，３６９内に収容された磁石棒が回転して、空間３２１，３３７，３５３，３６９内の液を撹拌する。
【００９１】
流路プレート３０４において、流路３１４，３２２，３３８，３５４，３７０，３８６は前後の流路より狭くなっている。流路３１４，３２２，３３８，３５４，３７０，３８６は、これらの流路の位置に対応するペルチェ素子の冷却により、流路内の流体を凍結させ、流路を閉じる部分である。
【００９２】
符号３１６，３１８，３２４，３２６，３３４，３４０，３４２，３５０，３５６，３５８，３６６，３７２，３７４は、初期状態で流路を閉じているバルブである。
図１６は流路プレートのバルブを説明するための図である。
符号４００はボールである。流路４０１からボール４００が収容されている部分に圧力がかけられた状態で、ボール４００は樹脂の爪で止められる。これにより、ボール４００は流路を塞いでいる。この状態がバルブの初期状態になる。ボール４００の真下にあるペルチェ素子を加熱動作させることにより、樹脂の爪が軟化し、圧力におされてボール４００が空間４０５へ移動する。空間４０５に３本の流路４０２，４０３，４０４が接続されている。流路４０２，４０３，４０４は下流側の流路４０６で合流されている。これにより、ボール４００が空間４０５内でどの位置にあろうと、流体は流路４０１から流路４０５側に流れる構造になっている。
【００９３】
流路プレート３０４のガス流入口３０２からは、加圧ガスが入れられる。これは、高圧空気ボンベからの供給でもよいし、エアーポンプからの供給でもよいし、発泡性液体、例えば、炭酸水などを封入した容器からの炭酸ガス供給でもよい。
【００９４】
図１７は検査チップの使用時の状態を示す平面図と側面図である。
検査チップ３００の一側面にマイクロコンピュータ５２１が取り付けられている。流路プレート３０４の一表面に回転子プレート３０５が貼り付けられている。流路プレート３０４の裏面に温度制御部材３８８が貼り付けられている。
マイクロコンピュータ５２１を含む検査チップ３００の平面サイズは２２ｍｍ×２０ｍｍである。温度制御部材３８８において冷却側ペルチェ素子及び加熱側ペルチェ素子の二次元配列３８９の平面サイズは１１ｍｍ×１１ｍｍである。
【００９５】
検査チップ３００を用いて検体の核酸配列検査を行なう例を説明する。
（１）核酸配列検出にあたって、スィッチにより、マイクロコンピュータ５２１が作動する。マイクロコンピュータ５２１により、流路プレート３０４の流路３１７に対応する位置のペルチェ素子が冷却動作される。これにより、流路３１７内の水が凍結し、流路３１７は閉じられる。
【００９６】
（２）流路プレート３０４の符号３０１は注射器の針の挿入口である。注射器により採取した血液サンプルを挿入口３０１の穴に差し込み、血液サンプルを注入する。符号３０７はニトリルゴムにより形成されたチェックバルブである。符号３０６はカラス口のようになっていて、符号３０６から流路３０８の方向に液は進行するが、逆は進まない。血液サンプルは、空間３０９、流路３１０及び空間３１１を通過し、さらに狭い流路３１４を通過した後、空間３１５に入る。空間３０９には、予め血液凝固防止剤が封入されている。空間３１５には液吸着樹脂が封入されている。空間３１５は排気口３０３により大気と通じている。血液サンプルは、空間３１５内の樹脂に吸着され余分な液体は、外部には漏れださないようにしている。流路プレート３０４は内部を目視可能な程度に透明であるので、オペレータは血液の注入状況を目視で確認できる。空間３０９，３１１が血液の赤色に置き換われば、血液サンプル注入は成功したことが判断できる。
【００９７】
（３）空間３１９には前処理試薬として界面活性剤が封入されている。検査チップ３００が使用される際、空間３１９は予め加温又は冷却されている。それは、空間３１９内の液体が流路３２０に導入される前に、予め空間３１９内の液体の温度を制御して粘度を調整しておくためである。空間３１９から流路３２０に導入される液体の流量を少なくする場合は空間３１９を冷却しておく。また、その流量を多くする場合は空間３１９を加温しておく。
（４）流路３１４，３３３に対応する位置のペルチェ素子を冷却して、流路３１４，３３３内の流体を凍結させて流路３１４，３３３を閉状態にする。
（５）流路３１７に対応する位置のペルチェ素子を常温にして、流路３１７を開状態にする。
【００９８】
（６）バルブ３１６，３１８に対応する位置のペルチェ素子を加温して、バルブ３１６，３１８を開状態にする。ガス流入口３０２から加圧ガスが流れ、バルブ３１６、流路３１２を介して空間３１１内が加圧される。空間３１１内の血液は、流路３１３，３１７を流れて撹拌３２１に流れ込む。また、空間３１９内の試薬は、流路３２０を通過して、撹拌３２１に流れ込む。血液と試薬の余分な液体は、流路３２２，３２３を通過して、空間３１５に入り、液体吸着樹脂に吸着される。ここでチェックバルブ３０７は逆流防止機能を有するので、空間３１１内の血液は、流路３１０側に逆流しない。また、流路３１４は凍結して閉状態であるため、空間３１１内の血液は、空間３１５側にも行かない。また、流路３１７，３２０に対応する位置のペルチェ素子の温度を制御して、試薬と血液の混合比が所定の比になるように制御する。
【００９９】
（７）流路３１７，３２０に対応する位置のペルチェ素子を冷却して、流路３１７，３２０内の流体を凍結させて流路を閉状態にする。
（８）バルブ３２６に対応する位置のペルチェ素子を加温して、バルブ３２６を開状態にする。加圧ガスがバルブ３２６を介して流路３２７の穴を通過して、回転子プレート３０５のガス流入側流路３２８に到達する。ガス流入側流路３２８から回転子収容部３３０に流れ込んだガスは回転子３２９を右回りに回転させる。そして、ガスはガス排出側流路３３１を通過してガス排出口３３２から大気に放出される。
（９）回転子３２９には、磁石が埋め込まれているので、回転子３２９が回転することにより空間３２１内に収容された微小棒磁石が回転される。これにより、空間３２１内の液体と試薬が撹拌される。
【０１００】
（１０）空間３２１に対応する位置のペルチェ素子を加温して１分間９８℃に加熱する。ここで白血球中のＤＮＡが抽出され、１本鎖となる。その後、２５℃にする。
（１１）空間３３５には反応増幅試薬として塩化マグネシウムなどの触媒とリン酸塩バッファーなどの緩衝液と増幅に必要な核酸塩基の混合液が封入されている。検査チップ３００が使用される際、空間３３５は予め加温又は冷却されている。それは、空間３３５内の液体が流路３３６に導入される前に、予め空間３３５内の液体の温度を制御して粘度を調整しておくためである。空間３３５から流路３３６に導入される液体の流量を少なくする場合は空間３３５を冷却しておく。また、その流量を多くする場合は空間３３５を加温しておく。
（１２）流路３２２，３４９に対応する位置のペルチェ素子を冷却して、流路３２２，３４９内の流体を凍結させて流路３４９を閉状態にする。
（１３）流路３３３に対応する位置のペルチェ素子を常温にして、流路３３３流路を開状態にする。
【０１０１】
（１４）バルブ３２４，３３４に対応する位置のペルチェ素子を加温して、バルブ３２４，３３４を開状態にする。ガス流入口３０２から加圧ガスが流れ、バルブ３２４、流路３２５を介して空間３２１内が加圧される。空間３２１内の液体は、流路３３３を流れて空間３３７に流れ込む。空間３３５内の試薬は、流路３３６を通過して、空間３３７に流れ込む。それぞれの余分な液体は、流路３３８，３３９を通過して、空間３１５に入り、液体吸着樹脂に吸着される。流路３３３，３３６に対応する位置のペルチェ素子温度を制御して、空間３３５内の試薬と空間３２１内の液体の混合比が所定の比になるように制御する。
【０１０２】
（１５）流路３３６，３３３に対応する位置のペルチェ素子を冷却して、流路３３３，３３６内の流体を凍結させて流路３３３，３３６を閉状態にする。
（１６）バルブ３４２に対応する位置のペルチェ素子を加温して、バルブ３４２を開状態にする。加圧ガスが流路３４３の穴を通過して、回転子プレート３０５のガス流入側流路３４４に到達する。ガス流入側流路３４４から回転子収容部３４６に流れ込んだガスは回転子３４５を右回りに回転させる。そして、ガスはガス排出側流路３４７を通過してガス排出口３３２から大気に放出される。
（１７）回転子３４５には、磁石が埋め込まれているので、回転子３４５が回転することにより空間３３７内に収容された微小棒磁石が回転される。これにより、空間３３７内の液体と試薬が撹拌される。
【０１０３】
（１８）空間３３７に対応する位置のペルチェ素子の温度調節をして空間３３７内の温度を２５℃状態にする。
（１９）空間３５１には酵素として耐熱性ＤＮＡポリメラーゼが封入されている。検査チップ３００が使用される際、空間３５１は予め加温又は冷却されている。それは、空間３５１内の液体が流路３５２に導入される前に、予め空間３５１内の液体の温度を制御して粘度を調整しておくためである。空間３５１から流路３５２に導入される液体の流量を少なくする場合は空間３５１を冷却しておく。また、その流量を多くする場合は空間３５１を加温しておく。
（２０）流路３３８，３６５に対応する位置のペルチェ素子を冷却して、流路３３８，３６５内の流体を凍結させて流路３６５を閉状態にする。
（２１）流路３４９に対応する位置のペルチェ素子を常温にして、流路３４９を開状態にする。
【０１０４】
（２２）バルブ３４０，３５０に対応する位置のペルチェ素子を加温して、バルブ３４０，３５０を開状態にする。バルブ３４０からの加圧ガスが流れ、バルブ３４０、流路３４１を介して空間３３７内が加圧される。空間３３７内の液体は、流路３４９を流れて空間３５３に流れ込む。空間３５１内の試薬は、流路３５２を通過して、空間３５３に流れ込む。それぞれの余分な液体は、流路３５４，３５５を通過して、空間３１５に入り、液体吸着樹脂に吸着される。流路３５２，３４９に対応する位置のペルチェ素子温度を制御して、空間３５１内の試薬と空間３３７内の液体の混合比が所定の比になるように制御する。
【０１０５】
（２３）流路３４９，３５２に対応する位置のペルチェ素子を冷却して、流路３４９，３５２内の流体を凍結させて流路３４９，３５２を閉状態にする。
（２４）バルブ３５８に対応する位置のペルチェ素子を加温して、バルブ３５８を開状態にする。加圧ガスが流路３５９の穴を通過して、回転子プレート３０５のガス流入側流路３６０に到達する。ガス流入側流路３６０から回転子収容部３６２に流れ込んだガスは回転子３６１を右回りに回転させる。そして、ガスはガス排出側流路３６３を通過してガス排出口３３２から大気に放出される。
（２５）回転子３６１には、磁石が埋め込まれているので、回転子３６１が回転することにより空間３５３内に収容された微小棒磁石が回転される。これにより、空間３５３内の液体と試薬が撹拌される。
【０１０６】
（２６）空間３５３に対応する位置のペルチェ素子の温度調節をして空間３５３内の温度を２５℃状態にする。
（２７）空間３６７にはターゲットＤＮＡのプライマーが封入されている。検査チップ３００が使用される際、空間３６７は予め加温又は冷却されている。それは、空間３６７内の液体が流路３６８に導入される前に、予め空間３６７内の液体の温度を制御して粘度を調整しておくためである。空間３６７から流路３６８に導入される液体の流量を少なくする場合は空間３６７を冷却しておく。また、その流量を多くする場合は空間３６７を加温しておく。
（２８）流路３５４に対応する位置のペルチェ素子を冷却して、流路３５４内の流体を凍結させて流路３５４を閉状態にする。
（２９）流路３６５に対応する位置のペルチェ素子を常温にして、流路３６５を開状態にする。
【０１０７】
（３０）バルブ３５６，３６６に対応する位置のペルチェ素子を加温して、バルブ３５６，３６６を開状態にする。バルブ３５６からの加圧ガスが流れ、バルブ３５６、流路３５７を介して空間３５３内が加圧される。空間３５３内の液体は、流路３６５を流れて空間３６９に流れ込む。空間３６７内の試薬は、流路３６８を通過して、空間３６９に流れ込む。それぞれの余分な液体は、流路３７０，３７１を通過して、空間３１５に入り、液体吸着樹脂に吸着される。流路３６８，３６５に対応する位置のペルチェ素子温度を制御して、空間３６７内のプライマーと空間３５３内の液体の混合比が所定の比になるように制御する。
【０１０８】
（３１）流路３６５，３６８に対応する位置のペルチェ素子を冷却して、流路３６５，３６８内の流体を凍結させて流路３６５，３６８を閉状態にする。
（３２）バルブ３７４に対応する位置のペルチェ素子を加温して、バルブ３７４を開状態にする。加圧ガスが３７５の穴を通過して、回転子プレート３０５のガス流入側流路３７６に到達する。ガス流入側流路３７６から回転子収容部３７８に流れ込んだガスは回転子３７７を右回りに回転させる。そして、ガスはガス排出側流路３７９を通過してガス排出口３３２から大気に放出される。
（３３）回転子３７７には、磁石が埋め込まれているので、回転子３７７が回転することにより空間３６９内に収容された微小棒磁石が回転される。これにより、空間３６９内の液体と試薬が撹拌される。
【０１０９】
（３４）空間３６９に対応する位置のペルチェ素子の温度調節をして空間３６９内の温度を９４℃に１分間した後、６０℃程度に急速冷却してアニーリングする。その後、６５℃にして１分間保ち、再度９４℃に戻す温度制御サイクルを例えば２０回繰り返す。その後、２５℃にする。
（３５）流路３７０に対応する位置のペルチェ素子を冷却して、流路３７０内の流体を凍結させて流路３７０を閉状態にする。
【０１１０】
（３６）バルブ３７２に対応する位置のペルチェ素子を加温して、バルブ３７２を開状態にする。バルブ３７２からの加圧ガスが流れ、バルブ３７２、流路３７３を介して空間３６９内が加圧される。空間３６９内の液体は、流路３８６を通過して空間３８７に入る。余分な液体は、空間３１５に入り、液体吸着樹脂に吸着される。空間３８７には、予め蛍光試薬が封入されている。この蛍光試薬は、ターゲットＤＮＡがあれば、その蛍光が抑止されるものである。
（３７）空間３８７で４９０ｎｍの波長光を照射し、５２０ｎｍの蛍光強度を測定することにより、ターゲットＤＮＡの増幅があるかないかを検知する。
これにより、核酸配列検査が完了する。
【０１１１】
以上、本発明の実施例を説明したが、材料、形状、配置等は一例であり、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
【０１１２】
例えば、前記実施例では、流路の温度を変化させる熱源として、ペルチェ素子やヒーターを用いているが、流路に光を照射することによって流路の温度を変化させてもよい。流路に光を照射するための光源として、例えばＬＥＤや半導体レーザーを挙げることができる。また、光源と光ファイバーを用い、光源から光ファイバーの入射端に入れた光を光ファイバーの出射端から出射させて流路に光を照射して流路の温度を変化させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１１３】
３ ペルチェ素子プレート
１１ 純水の入った容器
１２ アンモニア水の入った容器
１３，１４ 温度調整部
１７，１８ ＰＦＡチューブ（流路）
１９ 合流部
１１１ ガラス部（マイクロ流体デバイス）
１１５ 流量制御部（流路）
１１８，１１９ ペルチェ素子
３００ 検査チップ（マイクロ流体デバイス）
３１０，３１４，３１７，３２０，３２２，３３３，３３６，３３８，３４９，３５２，３５４，３６５，３６８，３７０，３８６ 流路
３８９ ヒーター又はペルチェ素子の二次元配列
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体制御方法及び装置に関し、特に、流体が通過する流路内における流体制御方法に関するものである。例えば、マイクロマシニング技術により作製される統合型小型分析システム（μＴＡＳ）のマイクロ流体デバイス内で、主に液体の流速や流量を制御する方法について用いられる。
【背景技術】
【０００２】
様々な産業プロセスにおいて、気体や液体の流速や流量を制御する技術は必要不可欠である。一般的には、流路に設置された比例弁の開き具合を調整して、その流速または流量を調整する。比例弁の大きさが日常的なもの、例えばミリオーダー以上であれば、その構造は流体の通過する断面積を変化させる機械的な構造で十分満足できる。
【０００３】
ところが、マイクロマシニング分野での、ミクロンオーダー領域やサブミクロンオーダー領域では、そのような比例弁を作製することが非常に困難になる。マイクロオーダー以下の流路における流体を制御する方法として、例えば非特許文献１〜４に開示された方法がある。
【０００４】
非特許文献１には、刺激応答性ゲルを利用した方法が開示されている。この方法は、ゲルの膨張と収縮を利用して、弁の開閉を行なう。ゲルの膨張と収縮は、温度やｐＨの刺激に応答して体積を変化させることによって行なわれる。
非特許文献２には、電気化学反応を利用した方法が開示されている。この方法は、電気化学反応により流路に気泡を発生させ、バルブ機能を作り出す方法である。
非特許文献３には、流路を変形させる方法が開示されている。この方法は、空気圧で流路を物理的に変形させて、流量を変化させる方法である。
非特許文献４には、流路に機械的にピンを設置する方法が開示されている。この方法は、点字ディスプレーを用いて、流路にピンを押し出して、流路を物理的に塞ぎ、流量を変化させる方法である。
【０００５】
また、微少な流体を扱う装置として、特許文献１や特許文献２に開示されたものがある。特許文献１には、複数流体の混合比を安定化させるマイクロ総合分析システムが開示されている。特許文献２には、マイクロ流体デバイスの温度制御システムが開示されている。
【特許文献１】特開２００６−２６６９２３号公報
【特許文献２】特開２００８−１５７９３２号公報
【非特許文献１】Ｎａｔｕｒｅ，２０００年，４０４巻，ｐ．５８８−５９０
【非特許文献２】Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．，２００２年，７４巻，ｐ．６３９２−６３９６
【非特許文献３】Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０００年，２８８巻，ｐ．１１３−１１６
【非特許文献４】Ｐｒｏｃ．Ｎａｔｌ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ，２００４年，１０１巻，ｐ．１５８６１−１５８６６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１に開示された刺激応答性ゲルを利用した方法は、ゲルと化学反応しない流体に限られるという問題があった。また、この方法は、１００％開、１００％閉のバルブを実現できても、一定の開度を制御するという場合、ゲルの膨張収縮再現性、刺激に対する再現性に問題があり、安定制御が困難であるという問題があった。
【０００７】
非特許文献２に開示された電気化学反応を利用した方法は、前記の刺激応答性ゲルを利用した方法と同じく、１００％開、１００％閉のバルブを実現できても、一定の開度を制御するという場合、安定制御が困難であるという問題があった。また、発生した気泡が消滅するのには時間がかかるし、気泡を再現性よく消失させることができないという問題もあった。また、電気化学反応に応じる流体しか適用できないという問題もあった。
【０００８】
非特許文献３に開示された流路を変形させる方法は、前記の刺激応答性ゲルを利用した方法と同じく、１００％開、１００％閉のバルブを実現できても、一定の開度を制御するという場合、安定制御が困難であるという問題があった。また、流路を圧力により変形させる場合、流路が圧力によって撓む材料に限定されることと、長年の撓み動作が、内部に疲労を生じさせ、寿命が短いという問題があった。また、撓む材料は、本質的に他の要因でも撓む。例えば流体自体の圧力や、環境温度変動、環境大気圧変動が流量制御誤差の要因となる。
【０００９】
非特許文献４に開示された流路に機械的にピンを設置する方法は、前記の刺激応答性ゲルを利用した方法と同じく、１００％開、１００％閉のバルブを実現できても、一定の開度を制御するという場合、安定制御が困難であるという問題があった。また、流体は、ピンの材料と化学反応しないものに限定されるという問題があった。さらに、ピンの押出し機構は、微細な機械的機構であり、高価かつ複雑であり、長期信頼性に欠けるという問題もあった。さらに、ピンの押出し機構部と接液部とのシール性が悪く、液漏れの問題もあった。
【００１０】
このように、非特許文献１に開示された方法は、特殊な材料や特殊な構造体を用いてそれを実現している。さらにその機能は、流量を流す又は止めるというオン又はオフの制御しかできない単なる弁の機能しか実現できないものもある。また、これらの方法の短所は、構造が複雑なところから、故障頻度が高く長期使用の信頼性がないこと、同時に作製コストの高いことがある。また、特殊な材料を使用している場合は、その材料と流体との親和性や耐久性が問題になることが多く、対象流体が制限されることがある。総合的に、何年にもわたって、確実に所望の流速、流量を制御できる構造体として、未だ使用に耐えないものばかりである。
【００１１】
特許文献１にはマイクロ総合分析システムが開示されている。特許文献１に記載されている分野が、本発明が一番活躍する領域であるため、あえてこの従来技術の問題点を明かしておきたい。
特許文献１のマイクロ総合分析システムは、流体を合流して混合する場合、流路抵抗、具体的には流路断面積、流路長さを、混合比に応じて変えて検査チップを作製する。混合比を安定化させる必要性、背景は、特許文献１の段落［０００１］〜［０００４］に記載されている。ただ、その解決方法が、課題の本質的な解決になっていない。その課題は、流量が目標値からずれてくるという問題で、その原因は、特許文献１の段落［０００３］に記載されている。ここで記載されている方法でも、マイクロポンプの能力の経時変化、流体の物性変化、流路の形状の経時変化、環境変化により時間とともに流量が変化する。
【００１２】
微細流路が設けられた検査チップ内で検体液と反応試薬液を混合する場合、微細流路に液体同士の混合する箇所が設けられている。検体液と反応試薬液の混合比はそのプロセスにより様々である。微細流路内に液体を流す方法は、検査チップ内に設けられたマイクロポンプを用いたり、検査チップへの所定箇所へ圧力を加えたり、検査チップの所定箇所から吸引したりする方法がある。どの方法でも、圧力と流路の抵抗により流速や流量が決まる。従来技術では、液体同士の混合比は、流路の抵抗がおよそその値になるように設計している。しかし、転写形成時の誤差による流路サイズ誤差に伴う流量誤差や流速誤差、環境温度変動による流路サイズ誤差、流体粘度変化などに起因して、混合比は必ずしも初期設計値にはならない。このようなことから、検体液と反応試薬混合による化学反応は常に安定している状況ではなく、検査チップが誤判定になるという問題があった。
【００１３】
また、特許文献２にはマイクロ流体デバイスの温度制御システムが開示されている。流体の温度を制御する場合の従来方法の問題点が、特許文献２の段落［０００６］〜［００１１］に記載されている。マイクロ流体デバイスは、数ｃｍ（センチメートル）×数ｃｍ程度の大きさであり、流路サイズは２００μｍ（マイクロメートル）以下である。そのような微細な構成で、各部分の温度管理は非常に重要なことであるが、特許文献２に開示された方法も含めてよい方法がない。また、非特許文献１〜４及び特許文献１に開示された流体の流量や流速の制御方法は、流路の温度制御と密接にかかわっているため、特許文献２の段落［０００６］〜［００１１］に記載された問題が発生する。
【００１４】
そこで本発明は、従来技術と比較して、流体の流量の制御を簡単な構造で実現でき、故障が少なく、安価で、かつ装置を微少化することができる流体制御方法及び装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、流路内を流れる流体の温度を変化させることにより、前記流体の粘度を変化させ、前記流路内での前記流体の流量を変化させる流体制御方法である。
本発明にかかる流体制御方法は、流体の粘度がその温度により変化するという物理現象を立脚点にしている。一般に、温度が上がれば、液体は粘度が下がり、気体は逆に粘度が上がる。これは分子の力学的な振る舞いから説明できる現象である。従来は、この温度変化による粘度の変化が流体制御の邪魔になる要因として、それがないように流体温度を一定に制御したり、粘度の多少の変化が流体制御に影響を及ぼさないような構造したりすることが提案されていた。本発明は、逆にこの邪魔な要因を積極的に使用して、流体の流量の制御を行なう。ここで、本発明は、流体の流量を制御するとともに、流体の流速も制御できる。
【００１６】
代表的な流体である水の温度と粘度の変化の関係を示すグラフを図１８に示す。図１８において、横軸は温度（℃（摂氏温度））を示し、縦軸は粘度Ｐａ・ｓ（パスカル秒）を示す。
０.１ＭＰａ（メガパスカル）の大気圧において、０℃から１００℃までが液体として存在するので、その温度範囲にて水の流量や流速の制御が可能である。一定温度で一定圧力の水は一定流量流れる。ここで、水の温度を上げると、流量は上昇し、水の温度を下げると流量が減る。これは、水は温度が上がる粘度が減少して流れやすくなるためである。厳密には細管の温度も流体の温度にともなって変化し、温度上昇とともに膨張する材質（一般的な物質はこれに従う）であるならば、細管の径が増加して流体が増加する効果もある。
【００１７】
本発明の流体制御方法において、流路内の流体の温度を変化させる手段として、流路の温度を変化させることを挙げることができる。具体的には、流路の温度を変化させることにより、流路内の流体の温度を変化させてその流体の粘度を変化させ、流体の流量を変化させる。
【００１８】
本発明の流体制御方法では、流路はマイクロ流体デバイス内に形成されたものであり、流路内を流れる液体の温度を変化させるための流量制御部をもっており、前記マイクロ流体デバイス内に存在する流量制御部の数よりも多くの熱源が２次元配列に配置された温度制御部材を前記マイクロ流体デバイス上に設け、前記熱源のうち前記流量制御部上に配置されている熱源を選択的に作動させることにより対応する前記流量制御部を介して前記流路内を流れる液体の流量を制御する。
【００１９】
マイクロ流体デバイスとは、少なくとも２つの基材を用い、一方の基材の表面又は両方の基材の表面に溝を形成しておき、それらの基材を貼り合わせることによって２つの基材の接合面に流路を形成したものである。また、表面から裏面に貫通する溝を形成した基材を２つの基材で挟み込んで内部に形成したマイクロ流体デバイスもある。マイクロ流体デバイスは例えば特許文献２に開示されている。
【００２０】
流路の温度を変化させる熱源として、例えば、ペルチェ素子、ヒーター、流路に光を照射するための光源を挙げることができる。前記ヒーターの一例として半導体素子を挙げることができる。ただし、ヒーターは他の構造からなるものであってもよい。また、前記流路に光を照射するための光源として、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）、半導体レーザーを挙げることができる。ただし、前記光源はこれらに限定されるものではない。また、光源と光ファイバーを用い、前記光源から前記光ファイバーの入射端に入れた光を前記光ファイバーの出射端から出射させて前記流路に光を照射するようにしてもよい。
【００２１】
好ましい形態では、前記温度制御部材は前記熱源が平面内の互いに直交する方向に沿って配列されたものであり、前記流量制御部上に配置されている前記熱源の位置を示すアドレスデータを保持しておき、そのアドレスデータを基にして前記熱源を選択的に作動させる。
【００２２】
本発明の流体制御方法において、前記流路の温度を下げて前記液体を固体化させることによって前記流路を詰まらせて前記液体の流量を遮断するようにしてもよい。さらに、前記流路の温度を元に戻して又は上昇させて、固体化された前記液体を液体化させて前記流路を開通させることもできる。
【００２３】
また、前記流路の内部に障害物が設置されているようにしてもよい。
また、前記流路は曲線上に設置されているようにしてもよい。
また、前記流路は、温度制御される部分の流路断面積が他の部分の流路断面積に比べて小さく形成されているようにしてもよい。
【００２４】
本発明の流体制御方法において、前記流路の配管長さと、前記流路内を流れる前記流体の流速、密度及び粘度を調整して、前記流体が層流状態又は乱流状態に切り替わる境界条件に設定しておき、前記流路又は前記流体の温度変化で前記流体の粘度を変化させて流体を層流状態から乱流状態へ、又はその逆に変化させることによって前記流体の流量を変化させる例を挙げることができる。
【００２５】
また、前記流路又は前記流体の設定温度と前記流体の流量との関係を予め取得しておき、その関係を示すデータに基づいて所望の流量を得るようにしてもよい。
【００２６】
また、下流側の合流部で合流する複数本の前記流路を用い、それらの流路の温度を制御してそれらの流路内を流れる流体の流量を制御することによって複数本の前記流路から前記合流部に供給される流体の比率を制御するようにしてもよい。
【００２７】
本発明の流体制御装置は、流路内を流れる液体の温度を変化させるための流量制御部をもつ少なくとも１つの流路が形成されたマイクロ流体デバイスと、前記マイクロ流体デバイス上に設けられ、前記マイクロ流体デバイス内に存在する前記流量制御部の数よりも多くの熱源が２次元配列に配置された温度制御部材と、を備え、前記熱源のうち前記流量制御部上に配置されている熱源を選択的に作動させることにより対応する前記流量制御部を介して前記流路内を流れる液体の流量を制御するようにしたものである。
【００２８】
前記熱源は、例えばヒーター、ペルチェ素子、ＬＥＤ又は半導体レーザーである。
【００２９】
好ましい形態では、前記流路内を流れる液体の流量を制御するマイクロコンピュータを備え、前記温度制御部材は前記熱源が平面内の互いに直交する方向に沿って配列されたものであり、前記マイクロコンピュータは前記流量制御部上に配置されている前記熱源の位置を示すアドレスデータを保持しており、そのアドレスデータを基にして前記熱源を選択的に作動させるものである。
【００３０】
一形態では、前記流路は、ガラス部材、半導体部材又は金属部材の一部分がエッチング技術によって除去されて形成されたものである。
他の形態では、前記流路はフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によって形成された型を樹脂に転写形成することによって形成されたものである。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の流体制御方法及び装置では、温度制御部材はマイクロ流体デバイス内に存在する流量制御部の数よりも多くの熱源が２次元配列に配置されたものであり、それらの熱源のうち流量制御部上に配置されている熱源を選択的に作動させるようにしたので、流量制御部上に配置されていない熱源は無駄になるが、トータル費用として設計費及び初期費が軽減できる。この方法の方が流量制御部ごとに熱源を配置する場合に比べて安く生産できる。
【００３２】
また、本発明の流体制御方法及び装置において、流路がマイクロ流体デバイス内に形成されたものであり、マイクロ流体デバイスでの液体の温度を制御するので、マイクロ流体デバイスに、２次元配列したヒーター又はペルチェ素子を貼り付けることによって、マイクロ流体デバイス内で、温度制御したい部分のヒーター又はペルチェ素子に通電することにより、局所的に温度の上昇、下降の制御ができる。これにより、マイクロ流体デバイス内の、複数ある混合部、反応部、分析部などの箇所を独立に温度制御することもできる。ヒーターの機能は加温だけであるが、マイクロ流体デバイス各部のサイズが小さいため放熱速度も速く、ヒーターをオフすることにより、すぐにマイクロ流体デバイスが設置されている環境温度になる。ペルチェ素子は、ペルチェ素子に流れる電流を反転させることにより加温と冷却が可能であり、２次元配列したペルチェ素子群は、マイクロ流体デバイス各部を独立に温度制御可能である。
本発明の流体制御方法及び装置では、液体が通過する流路の温度を変化させて、前記液体の温度を変化させることにより、前記液体の粘度を変化させ、前記液体の流量を変化させるようにしたので、従来技術と比較して、簡単な構造で液体の制御を実現できる。これにより、故障が少なく、安価で、かつ装置を微少化することができる。さらに、従来技術では、安定した流量の可変制御が困難であったが、本発明の流体制御方法はそれを実現できる。
【００３３】
また、流路の内部に障害物が設置されていたり、流路が曲線上に設置されていたり、温度制御される部分の流路断面積が他の部分の流路断面積に比べて小さく形成されていたりするようにすれば、液体の流量が液体の粘度の影響を受けやすくなり、液体の流量の制御性を向上させることができる。
【００３４】
また、本発明の流体制御方法において、流路の配管長さと、流路内を流れる液体の流速、密度及び粘度を調整して、液体が層流状態又は乱流状態に切り替わる境界条件に設定しておき、流路又は液体の温度変化で液体の粘度を変化させて液体を層流状態から乱流状態へ、又はその逆に変化させることによって液体の流量を変化させるようにすれば、液体の流量を急激に変化させることができる。例えば、液体を層流状態から乱流状態にさせることにより、極端に流量を減少させることができる。液体温度と流量には直線的な、可逆的な関係が成り立たないために、細かな流量制御には使えないが、液体の流量をある条件のときに緊急に極端に減少させたいような場合、例えば緊急時のエンジンへの燃料補給減少装置などに特に有効である。
【００３５】
また、前記流路又は前記液体の設定温度と前記液体の流量との関係を予め取得しておき、その関係を示すデータに基づいて所望の流量を得るようにすれば、液体の流量の制御性を向上させることができる。
【００３６】
また、下流側の合流部で合流する複数本の前記流路を用い、それらの流路の温度を制御してそれらの流路内を流れる液体の流量を制御することによって複数本の前記流路から前記合流部に供給される液体の比率を制御するようにすれば、例えば液体や気体を所望の比率に混合することができる。また、流路の温度を変化させることにより、混合する液体の比率を変化させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】一参考例で用いる装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】図１に示した装置の温度調整部の側面図と底面図を示す図である。
【図３】他の参考例で用いる装置の全体構成を示す概略図である。
【図４】図３に示した装置の調液部の平面図と側面図を示す図である。
【図５】図４に示した調液部のガラス部の流路パターンを示す平面図である。
【図６】図５に示したガラス部のミキシング部内における液体の流れを矢印で示す平面図である。
【図７】図５に示したガラス部におけるペルチェ素子及び測温体の配置を説明するための平面図と側面図を示す図である。
【図８】一実施例で用いる検査チップの流路パターンを示す平面図である。
【図９】図８に示した検査チップに貼り付ける温度制御部材のヒーター配列を概略的に示す平面図である。
【図１０】図９の温度制御部材のヒーター配列及びヒーターを制御するためのトランジスタの配置を示す回路図である。
【図１１】検査チップの流路パターンに温度制御部材を貼り付けた状態を示す平面図である。
【図１２】温度制御部材におけるヒーター配列を概略的に示す平面図である。
【図１３】温度制御部材におけるペルチェ素子配列を概略的に示す平面図である。
【図１４】検査チップの流路プレートの流路パターンを示す平面図である。
【図１５】検査チップの回転子プレートの流路パターンを示す平面図である。
【図１６】図１４の流路プレートのバルブを説明するための図である。同実施例の測定部の平面図である。
【図１７】検査チップの使用時の状態を示す平面図と側面図である。
【図１８】水の温度と粘度の変化の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
また、流路の温度を下げて液体を固体化させることによって流路を詰まらせるようにすれば、液体の流量を遮断することができる。さらに、前記流路の温度を元に戻して又は上昇させて、固体化された前記液体を液体化させて前記流路を開通させることもできる。このように、流路の温度を変化させることにより、流路内の液体を凝固させ、また、凝固した液体を融解させることにより、流路に複雑な構造を設けることなく流路自体をバルブとして機能させることができる。
【００３９】
参考例１：日常サイズの実施例：アンモニア水の水希釈例
アンモニア水と純水の混合について、行なった結果を載せる。純水で希釈されたアンモニア水は、例えば半導体業界においてシリコンウェハの洗浄に使われる液である。このアンモニア水をシリコンウェハの洗浄に用いる場合、パーテイクル混入や微量な金属混入が嫌われるが、この実施例では、純水及びアンモニア水の接液部はフッ素樹脂のみであり、アンモニア水の清浄度を十分に保つことができる。
【００４０】
図１はこの参考例で用いる装置の全体構成を示す概略図である。
純水の入った容器１１と、アンモニア水２６ｗｔ％（重量パーセント）の入った容器１２が設けられている。
純水の入った容器１１にＰＦＡ（tetra fluoro ethylene-PerFluoro Alkylvinyl ether copolymer）チューブ１７の一端が接続されている。ＰＦＡチューブ１７はＰＦＡチューブ１７内の液温度を調整するための温度調整部１３に導かれている。チューブ１７の他端は合流部１９に接続されている。
アンモニア水の入った容器１２にＰＦＡチューブ１８の一端が接続されている。ＰＦＡチューブ１８はＰＦＡチューブ１８内の液温度を調整するための温度調整部１４に導かれている。チューブ１８の他端は合流部１９に接続されている。
【００４１】
図２は図１に示した装置の温度調整部の側面図と底面図を示す図である。温度調整部１３，１４は同じ構造をもつ。
例えば外形が３ｍｍ（ミリメートル）、内径が２ｍｍのＰＦＡチューブ１７（１８）が直径６０ｍｍのボビン１に１５回巻き付けられている。ボビン１に巻き付けられている部分のＰＦＡチューブ１７（１８）の長さは、約２.８ｍである。ボビン１の上面にペルチェ素子プレート３が取り付けられている。ペルチェ素子プレート３のボビン１とは反対側の面に放熱フィン４が取り付けられている。ペルチェ素子プレート３へ流す電流で、ペルチェ素子の一方の面は冷却され、他方の面は熱せられる。電流の強弱で、その冷却温度と加熱温度の強弱が決まる。ペルチェ素子プレート３へ流す電流方向を逆にすると、加熱側と冷却側のプレート面が入れ替わる。
【００４２】
図１に戻って説明を続ける。ＰＦＡチューブ１７，１８が接続された合流部１９にＰＦＡチューブ１９の一端が接続されている。ＰＦＡチューブ１９は、ＰＦＡチューブ１９内の液体を混合するためのミキサー１５を介してポンプ１６に導かれている。ポンプ１６は接液部がＰＴＦＥ（Poly Tetra Fluoro Ethylene）製の無脈流ポンプである。
【００４３】
容器１１内の純水と容器１２内のアンモニア水を希釈する動作について説明する。
ポンプ１６を作動させると、容器１１内の純水がＰＦＡチューブ１７内に吸引され、容器１２内のアンモニア水がＰＦＡチューブ１８内に吸引される。ＰＦＡチューブ１７内に吸引された純水は温度調整部１３を介して合流部１９に導かれる。合流部１９に到達した純水及びアンモニア水はＰＦＡチューブ２０内に導かれる。ＰＦＡチューブ２０内に導かれた純水及びアンモニア水は、ミキサー１５で完全に混合された後、ポンプ１６を介してＰＦＡチューブ２０の出口側端部に導かれる。ＰＦＡチューブ２０の出口側端部から希釈されたアンモニア水が吐出される。
【００４４】
図１に示した装置を用い、温度調整部１３，１４の設定温度を変化させて、純水とアンモニア水の混合比について調べた結果を表１及び表２に示す。表１は希釈されたアンモニア水のアンモニア濃度、表２は流量（ｃｃ／秒）を示す。ここでは、純水の温度を調整するための温度調整部１３とアンモニア水の温度を調整するための温度調整部１４をそれぞれ０℃から８０℃の間で変化させた。また、ポンプ１６の吸引力は０.００１ＭＰａであった。この流量であると、温度調整部１３，１４におけるペルチェ素子温度が、温度調整部１３，１４を通過した液の温度と見なしてよい。流量はポンプ吸引力に比例する。ペルチェ素子温度＝液温度が成り立つ流量においては、アンモニア濃度はポンプ吸引力の影響を受けない。
【００４５】
【表１】
【００４６】
【表２】
【００４７】
この構成では、表１から、アンモニア水側の温度０℃（凍結なし条件）と純水側の温度８０℃との条件におけるアンモニア濃度４.１％から、アンモニア水側の温度８０℃と純水側の温度０℃（凍結なし条件）との条件におけるアンモニア濃度２０.９％の間でアンモニア濃度を変化させることができる。
【００４８】
これらは、ポアズイユの法則に従っている。
水側流量：Ｑ１
水側チューブ内半径：ｒ１
水側チューブ側長さ：Ｌ１
水の粘度：η１
ΔＰ：水側チューブの入口と出口の圧力降下
Ｑ１＝π×ｒ１4×ΔＰ／（８×η１×Ｌ１）
【００４９】
アンモニア側流量：Ｑ２
アンモニア側チューブ内半径：ｒ２
アンモニア側チューブ側長さ：Ｌ２
アンモニアの粘度：η２
ΔＰ：アンモニア側チューブの入口と出口の圧力降下
Ｑ２＝π×ｒ２4×ΔＰ／（８×η２×Ｌ２）
【００５０】
アンモニア原液濃度をａとすると、アンモニア濃度（容積比）Ｃは、
Ｃ＝ａ×Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２）
である。η１とη２は、液温度の関数であるため、アンモニア濃度Ｃは温度により変化する。
【００５１】
以上の例は、層流を条件としているが、レイノルズ数Ｒｅ（＝（速度×長さ）／（粘度×密度））が高くなる設定では、乱流になる。
図１に示した装置の構成で、液体の流速、温度調整部１３，１４における配管長さ、送液する液の密度及び粘度を調整して、層流と乱流の切り替わる境界条件に設定しておき、液の温度を上昇させ、粘度を減少させて、層流状態から乱流状態にさせることにより、極端に流量を減少させることができる。液温度と流速には直線的かつ可逆的な関係が成り立たないために、細かな流量制御には使えないが、液体の流量をある条件のときに緊急に極端に減少させたいような場合、例えば緊急時のエンジンへの燃料補給減少装置などに使用できる。
また、緊急時の液の遮断方法として、温度調整部におけるペルチェ素子温度を零下に設定し、配管を凍らせて、液の流れを遮断してもよい。
【００５２】
参考例２：ｍｍサイズの参考例：メタノール希釈例
燃料電池で、携帯機器向けの小型のものとして、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）が注目されている。ＤＭＦＣ型燃料電池の燃料供給には、メタノール濃度３〜５％の濃度のメタノール水溶液が用いられる。メタノール濃度が高いと、メタノールが燃料極で未反応なものが、電解質膜を透過して空気極へ到達するクロスオーバー現象が発生して、発電効率が低下するという問題が発生する。メタノール濃度が低くても、発電効率が落ちる。したがって、常に最適なメタノール濃度を供給することが望まれる。また、濃度の濃いメタノールを、水で最適な濃度に希釈して使用することができれば、ＤＭＦＣ型燃料電池内に収容しておくメタノール燃料の体積を減少することができ、ＤＭＦＣ型燃料電池をより小型にすることができる。希釈に必要な水は、空気極側で発生する水を用いてもよいし、空気中の湿度分を捕集してもよい。
【００５３】
図３はこの参考例で用いる装置の全体構成を示す概略図である。
濃度が３０％のメタノールの入ったタンク１０１と、水の入ったタンク１０２が設けられている。
メタノールの入ったタンク１０１にチューブ１０４の一端が接続されている。チューブ１０４の他端は調液部１０３に接続されている。水の入ったタンク１０２にチューブ１０５の一端が接続されている。チューブ１０５の他端は調液部１０３に接続されている。調液部１０３には、チューブ１０４，１０５からのメタノール及び水が混合された希釈メタノールを流すためのチューブ１０８も接続されている。チューブ１０８はポンプ１０９に接続されている。
【００５４】
図４は図３に示した装置の調液部の平面図と側面図を示す図である。
調液部１３は、ガラスのエッチングで内部に流路が形成されたガラス部１１１と、ガラス部１１１を支持するための金属製の枠部１１０と、チューブ１０４，１０５，１０８をガラス部１１１に接続するための継ぎ手１１２，１１３，１１４を備えている。ガラス部１１１はマイクロ流体デバイスである。
【００５５】
ガラス部１１１の平面サイズは１２.５ｍｍ×３９ｍｍ、厚みは２.２ｍｍである。枠部１１０の外周平面サイズは１９ｍｍ×４６ｍｍ、内周平面サイズは１３ｍｍ×４０ｍｍ、厚みは４.２ｍｍである。枠部１１０には、ネジで継手１１２，１１３，１１４が差し込まれている。枠部１１０の内側に配置されたガラス部１１１は継手１１２，１１３，１１４によって押さえ込まれることによって固定されている。ガラス部１１１は、側面に継手１１２，１１３，１１４に対応する位置に、ガラス部１１１内部の流路につながるテーパー形状の凹部を備えている。継手１１２，１１３，１１４の先端がガラス部１１１側面の凹部に差し込まれることによって流路がシールされて液漏れを防止している。
【００５６】
ガラス部１１１は、流路を形成するための溝が形成されたガラス板を２枚のガラス板で挟み込んだ３層構造になっている。溝を構成するガラス板の厚みは０.２ｍｍである。そのガラス板を挟むための２枚のガラス板の厚みはそれぞれ１ｍｍである。
【００５７】
図５は、ガラス部１１１の流路パターンを示す平面図である。
図４に示すチューブ１０４，１０５が接続される２つの流路１２５，１２６にそれぞれ流量制御部１１５が設けられている。流量制御部１１５は直列に接続された４つの渦巻状の流路を備えている。流量制御部１１５の流路幅、すなわち断面積は、ガラス部１１１の他の流路部分に比べて小さく形成されている。流路１２５と流路１２６は流量制御部１１５よりも下流側で合流されて流路１２７に接続されている。流路１２７の下流側にミキシング部１１６が設けられている。
【００５８】
図６は、ミキシング部１１６内における液体の流れを矢印で示す平面図である。
ミキシング部１１６は２つの広い箇所１２３，１２４を備えている。上流側の広い箇所１２３と下流側の広い箇所１２４は２本の流路１２８，１２９で接続されている。
【００５９】
上流側の広い箇所１２３には流路１２７が接続されている。広い箇所１２３の近傍で流路１２７に流路の細い箇所１２０が設けられている。広い箇所１２３と１２４を接続する２本の流路１２８，１２９の上流側の端部は、細い箇所１２０の両隣の箇所で広い箇所１２３に接続されている。
【００６０】
下流側の広い箇所１２４には下流側の流路１３０が接続されている。広い箇所１２３と１２４を接続する２本の流路１２８，１２９の下流側の端部は、流路１３０の両隣の箇所で広い箇所１２４に接続されている。広い箇所１２４の近傍で流路１２８，１２９に流路の細い箇所１２１，１２２が設けられている。
【００６１】
流路１２７から細い箇所１２０を介して広い箇所１２３に導入された液体は、細い箇所１２０で流速が早くなるので、広い箇所１２３内で渦を発生する（矢印を参照）。広い箇所１２３から、広い箇所１２３と１２４を接続する２本の流路１２８，１２９及び流路の細い箇所１２１，１２２を介して広い箇所１２４に導入された液体は、細い箇所１２１，１２２で流速が速くなるので、広い箇所１２４内で渦を発生する（矢印を参照）。これらの渦により、液体の混合が促進される。
図５に示すように、ミキシング部１１６は２段に設けられているので、図６に示した混合パターンを２段繰り返すことにより、液体は完全に混合される。
【００６２】
図７は、ガラス部１１１におけるペルチェ素子及び測温体の配置を説明するための平面図と側面図を示す図である。
ガラス部１１１の上面に２つのペルチェ素子１１８，１１９が貼り付けられている。ペルチェ素子１１８はメタノールが流される流量制御部１１５の上に配置されている。ペルチェ素子１１９は水が流される流量制御部１１５の上に配置されている。
ガラス部１１１の下面に２つの測温体１３２，１３３が貼り付けられている。測温体１３２，１３３は例えば白金からなる。測温体１３２はメタノールが流される流量制御部１１５の下に配置されている。測温体１３３は水が流される流量制御部１１５の下に配置されている。
図４ではペルチェ素子１１８，１１９及び測温体１３２，１３３の図示は省略されている。
【００６３】
図３，図４及び図７を参照してメタノールを希釈する動作について説明する。
ポンプ１０９を作動させると、容器１０１内のメタノールがチューブ１０４内に吸引され、容器１０２内の水がチューブ１０５内に吸引される。チューブ１０４内に吸引されたメタノール及びチューブ１０５内に吸引された水は調液部１０３に導かれる。調液部１０３に導かれたメタノール及び水はそれぞれガラス部１１１の流量制御部１１５を通過した後に合流し、ミキシング部１１６に導かれて混合されて希釈メタノールとなる。希釈メタノールはガラス部１１１からチューブ１０８に導かれ、ポンプ１０９を介して吐出される。
【００６４】
希釈されたメタノールの濃度が４％よりも濃い場合は、水側の流量を増加させ、メタノール側の流量を減少させるように制御する。具体的には、水側のペルチェ素子１１９の温度を上昇させることによって、水の粘度を低下させて流量を増加させる。さらに、メタノール側のペルチェ素子１１８の温度を下降させることによって、メタノールの粘度を上昇させ、流量を減少させる。それぞれのペルチェ素子１１８，１１９の温度は測温体１３２，１３３で計測している。
この方法により得られる、メタノール温度と水温度とメタノール濃度の関係を表３に示す。
【００６５】
【表３】
【００６６】
メタノール温度はメタノール側ペルチェ素子１１８の測温体１３２の計測値と近く、水温度は水側ペルチェ素子１１９の測温体１３３の計測値と近いので、表３のメタノール温度と水温度は、測温体１３２，１３３の計測値で代用できる。
これにより、水側ペルチェ素子１１９と、メタノール側ペルチェ素子１１８の各温度を調整することにより、メタノール濃度を４％に制御することができる。
【００６７】
この参考例では、液温度を変化させる材料としてペルチェ素子を用いたが、ヒーターを用いてもよい。その場合は、ガラス部１１の流量制御部１１５上にそれぞれに独立した温度制御可能な面ヒーターが貼り付けられる。ガラス部１１の下面にはヒートシンクに設置する。ヒーターのＯＮとともに流量制御部１１５の温度が上昇して、流量制御部１１５を流れる液の温度も上昇する。面ヒーター近辺には測温体を設置しておき、測温体からの温度情報に基づいてヒーターをフィードバック制御する。ヒーターに流す電流を下げれば、放熱により、ヒートシンク温度になじむように温度が下がる。サイズがミリオーダーになると、物体の表面積と体積の比率で表面積側が圧倒的に大きくなるため、放熱スピードは日常レベルと比較して非常に早い。そのため、ヒーターによる加温素子のみでも、十分に温度制御が可能である。
【００６８】
この参考例では、ミキシング部１１６は、迷路のようなパターンを通過させることにより行なったが、ミキシング方法として、流路に障害物を配置する方法や超音波素子による超音波を液に照射して混合する方法などもある。
【００６９】
実施例１：ミクロンサイズの実施例：マイクロリアクタ（マイクロ流体デバイス）としての検査チップ
マイクロリアクタによる分析システムで本発明の流体制御方法を使用した実施例を記載する。検査チップの流路は、基板上に目的に応じて形成される。流体としてはここでは液体である。検査チップに形成されている流路は幅と深さが５０〜２００μｍ程度の微細流路である。その流路の形成方法は、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によって形成された型を樹脂に転写形成することにより大量に作製できる。樹脂は例えばポリスチレンやポリジメチルシロキサンなどが用いられる。
【００７０】
図８は検査チップの流路パターンを示す平面図である。
検査チップ３００に形成されている流路パターンにおける流量制御部は、図５に示したガラス部１１１の流路パターンをもっと微細化して大規模化したものである。このような場合、それぞれの流量制御部に、温度を変化させるためのペルチェ素子やヒーターを設けていてもよい。
【００７１】
しかし、このような検査チップは大量生産によるコスト低減が要求されるため、検査チップの種類毎に流路パターンが変わり、ペルチェ素子やヒーターの位置も変わるために、その都度、ペルチェ素子やヒーターの配置を設計したのではコスト高になる。
【００７２】
そこで、ペルチェ素子又はヒーターを二次元配列した温度制御部材を作成した。温度制御部材は、検査チップサイズ面積と同じか、少し大きい、又は少なくとも検査チップにおける温度制御したい部分の面積と同じか、少し大きい平面サイズをもつ。そして、温度制御部材を検査チップに貼り付ける。温度制御部材を貼り付けた後、検査チップ内の流量制御部と、温度制御部材におけるペルチェ素子又はヒーターとの位置関係を顕微鏡等の検査治具により求める。求めたアドレスデータを例えば検査チップ内蔵のマイクロコンピュータメモリに記憶させる。マイクロコンピュータはそのデータをもとに温度制御部材の所望の箇所、ひいては検査チップの所望の箇所の温度を制御する。
【００７３】
図９は温度制御部材のヒーター配列を概略的に示す平面図である。図１０は温度制御部材のヒーター配列及びヒーターを制御するためのトランジスタの配置を示す回路図である。
【００７４】
ヒーター及びトランジスタが二次元配列された温度制御部材３８８は、シリコン基板に半導体装置製造プロセスを用いて形成される。例えば、Ｘ軸方向に６４個、Ｙ軸方向に６４個で、計４０９６個のヒーターｒ１−１〜ｒ６４−６４の配列３８９が形成されている。ヒーターは、シリコンに金属不純物を添加して半導体にし、そこに電流を流すことにより作製できる。それぞれのヒーターのオン／オフを制御するために、トランジスタをそれぞれのヒーターごとに設けている。
【００７５】
図１０に示す回路の動作は、電極ｈ１から、電極ｈ２へと順番に、トランジスタｔ０−１，ｔ０−２のベース（又はゲート）に電圧を加えて、トランジスタをオンしていく。そして、電極５０２には、各ヒーターｒｉ−ｊ（ｉは１〜６４、ｊは１〜６４）に電流を流すための電源電圧が加えている。電極ｈ１に１ミリ秒だけ５Ｖ電圧を加え、それを０Ｖにした後、電極ｈ２に１ミリ秒だけ５Ｖ電圧を加える。同じことを電極ｈ２，ｈ３，・・・ｈ６４と繰り返し、電極ｈ６４まで行なった後、電極ｈ１に戻り、そのサイクルを繰り返す。
【００７６】
電極５０１には、トランジスタｔｉ−ｊ（ｉは１〜６４、ｊは１〜６４）をオンするための電圧が加えられている。電極ｈ１に電圧が印加されてトランジスタｔ０−１がオンしているとき、トランジスタｔｉ−１（ｉは１〜６４）が制御対象になる。
電極ｒｅｉ（ｉは１〜６４）はトランジスタｔｒｉ−０（ｉは１〜６４）のベースにつながっており、これに電圧を加えるかどうかでトランジスタｔｒｉ−０（ｉは１〜６４）のオン／オフが決定する。
電極ｖｉ（ｉは１〜６４）は、トランジスタｔｉ−０（ｉは１〜６４）のベースにつながっており、これに電圧を加えるかどうかでトランジスタｔｉ−０（ｉは１〜６４）のオン／オフが決定する。
【００７７】
例えば、ヒーターｒ１−１に電流を流したい場合は、トランジスタｔ０−１がオンしている期間だけ、トランジスタｔｒ１−０をオフ、トランジスタｔ１−０をオン、トランジスタｔ１−１をオンにする。そしてヒーターｒ１−１に流れている電流を切りたい場合は、トランジスタｔｒ１−０をオン、トランジスタｔ１−０をオフ、トランジスタｔ１−１をオフにする。
【００７８】
このような動作により、各ヒーターｒｉ−ｊ（ｉは１〜６４、ｊは１〜６４）のオン／オフを制御できる。各ヒーターｒｉ−ｊ（ｉは１〜６４、ｊは１〜６４）のオン時間とオフ時間の比率を変えることにより、ヒーターｒｉ−ｊ（ｉは１〜６４、ｊは１〜６４）への電力供給量を制御でき、ヒーターｒｉ−ｊ（ｉは１〜６４、ｊは１〜６４）の温度を個別に制御できる。これにより、温度制御部材３８８のヒーター配列３８９中の所望の箇所、ひいては検査チップの所望の箇所の温度を制御できる。
【００７９】
ヒーターｒｉ−ｊ（ｉは１〜６４、ｊは１〜６４）をペルチェ素子やＬＥＤに置き換えれば、図９及び図１０を参照して説明したのと同様にして、二次元配列されたペルチェ素子やＬＥＤのオン／オフを個別に制御できる。この場合も、温度制御部材の所望の箇所、ひいては検査チップの所望の箇所の温度を制御できる。
【００８０】
図１１は、検査チップ３００の流路パターンに温度制御部材３８８を貼り付けた状態を示す平面図である。図１１では温度制御部材３８８についてヒーター配列３８９のみを図示している。
【００８１】
大量生産で検査チップ３００に温度制御部材３８８を貼り付けた後、顕微鏡による検査工程で、流路パターンの流量制御部と重ね合わさった箇所のヒーターのアドレスを求める。そのアドレスデータは付随するマイクロコンピュータのメモリに格納される。マイクロコンピュータは、アドレス指定されたヒーターだけをオン／オフ制御するようにプログラミングされている。流量制御部上に配置されていないヒーターは無駄になる。しかし、トータル費用として設計費及び初期費が軽減できる。さらに、この方法の方が流量制御部ごとにヒーターを配置する場合に比べて検査チップを安く生産できる。
【００８２】
検査チップにおいて温度制御を必要とする箇所が流量制御部だけならば、二次元配列されたヒーターのうち温度制御部上には配置されてないヒーターは無駄になる。しかし、マイクロ流体デバイスでは、温度管理の必要な箇所が多々ある。例えば、マイクロ流体デバイス内部に設けられた、核酸配列を検出するためのマイクロリアクタ（微少反応容器）内では、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）が行なわれる。その場合、まず、酵素とプライマーを検体液に混ぜ合わせ、マイクロリアクタに収容する。そしてマイクロリアクタ内部を９４℃で１分間だけ加熱した後、６０℃程度に急速冷却してアニーリングする。その後、マイクロリアクタ内部を６５℃に加熱して１分間保ち、再度９４℃に戻す温度制御サイクルを２０回程度繰り返す。一つの検査チップ内に複数個のマイクロリアクタを設置して、並列で反応を進行させる。酵素、プライマーと検体液の混合比率は、本発明の流体制御方法で確実に行なうことができる。さらに、ヒーター等が二次元配列された温度制御部材をマイクロリアクタ上にも配置しておけば、ＰＣＲの温度管理も温度制御部材を用いて行なうことができる。
【００８３】
また、ヒーターをペルチェ素子に変えてもよい。ペルチェ素子を用いた場合はペルチェ素子に流す電流を反転させることによって冷却することも可能となる。この場合、検査チップにおいて完全に閉じてしまいたい流路は、その流路内の液体を氷結させることによって実現できる。
【００８４】
また、ヒーター配列をＬＥＤ配列にしてもよい。この場合、温度を上昇させたい流体に吸収がある波長の光を発光するＬＥＤを使用し、検査チップの基材である樹脂としてＬＥＤが発光する波長の光をあまり吸収しないものを用いることにより、効率的な熱伝達が可能となる。
【００８５】
この実施例では、ペルチェ素子による冷却による液の凍結による、流路の閉鎖処理を積極的に使用する。ペルチェ素子は、電流反転で加熱と冷却を一つの素子で実現可能である。しかし、ペルチェ素子を二次元配列する場合に一つのペルチェ素子に加熱機能及び冷却機能をもたせようとすると回路が複雑になる。そこで、この実施例では、加熱用ペルチェ素子と冷却用ペルチェ素子を二次元配列した温度制御部材を用いる。ただし、一つのペルチェ素子に加熱機能及び冷却機能をもたせるように回路を形成してもよい。
【００８６】
図１２は温度制御部材におけるヒーター配列を概略的に示す平面図である。図１３は温度制御部材におけるペルチェ素子配列を概略的に示す平面図である。
図１３に示すように、図１２のヒーター配列の１箇所分５１１に、冷却側ペルチェ素子５１２と、加熱側ペルチェ素子５１３を設置する。この場合、冷却側ペルチェ素子５１２及び加熱側ペルチェ素子５１３を制御するための回路は、図１０に示した回路と同様のものを２つ用いる。この温度制御部材は、図１１に示した温度制御部材３８８と同様にして、検査チップ３００に貼り付けられる。
【００８７】
図１４は検査チップの流路プレート３０４の流路パターンを示す平面図である。図１５は検査チップの回転子プレート３０５の流路パターンを示す平面図である。
図８に示した検査チップ３００は、大きく分けて、図１４に示す流路プレート３０４と図１５に示す回転子プレート３０５と、図９に示す温度制御部材３８８によって構成されている。
【００８８】
流路プレート３０４の内部に、液体や気体を流したり収容したりするための流路及び空間が形成されている。回転子プレート３０５は流路プレート３０４の一表面に貼り付けられる。流路プレート３０４の裏面には、図１１に示した温度制御部材３８８と同様にして、冷却側ペルチェ素子及び加熱側ペルチェ素子が二次元配列された温度制御部材が貼り付けられる。
【００８９】
流路プレート３０４において、空間３１９，３３５，３５１，３６７に試薬類が液体として封入されている。流路３１７，３２０，３３６，３５２，３６８，３３３，３４９，３６５は、狭い流路で長さを稼ぐために一定のパターン、ここでは渦巻状の流路パターンになっている。これは前記の実施例２の流量制御部１１５と同様であり、これらの位置に対応するペルチェ素子の設定する温度で、この流路を通過する流体の粘度を変化させ、流速を制御する。初期状態では、水が封入されている。
【００９０】
流路プレート３０４の空間３２１，３３７，３５３，３６９は撹拌部である。それらの内部には微小な樹脂コートされた磁石棒が封入されている。
回転子プレート３０５に、空間３２１，３３７，３５３，３６９の位置に対応して回転子収容部３３０，３４６，３６２，３７８が設けられている。それらの内部にガス流で回転する磁石付きの回転子３２９，３４５，３６１，３７７が収容されている。回転子収容部３３０，３４６，３６２，３７８には、ガス流入側流路３２８，３４４，３６０，３７６と、ガス排出側流路３３１，３４７，３６３，３７９が接続されている。ガス流入側流路３２８，３４４，３６０，３７６は流路プレート３０４の流路３２７，３４３，３５９，３７５に接続されている。ガス排出側流路３３１，３４７，３６３，３７９は合流されてガス排出口３３２に接続されている。磁石付きの回転子３２９，３４５，３６１，３７７が回転することにより、空間３２１，３３７，３５３，３６９内に収容された磁石棒が回転して、空間３２１，３３７，３５３，３６９内の液を撹拌する。
【００９１】
流路プレート３０４において、流路３１４，３２２，３３８，３５４，３７０，３８６は前後の流路より狭くなっている。流路３１４，３２２，３３８，３５４，３７０，３８６は、これらの流路の位置に対応するペルチェ素子の冷却により、流路内の流体を凍結させ、流路を閉じる部分である。
【００９２】
符号３１６，３１８，３２４，３２６，３３４，３４０，３４２，３５０，３５６，３５８，３６６，３７２，３７４は、初期状態で流路を閉じているバルブである。
図１６は流路プレートのバルブを説明するための図である。
符号４００はボールである。流路４０１からボール４００が収容されている部分に圧力がかけられた状態で、ボール４００は樹脂の爪で止められる。これにより、ボール４００は流路を塞いでいる。この状態がバルブの初期状態になる。ボール４００の真下にあるペルチェ素子を加熱動作させることにより、樹脂の爪が軟化し、圧力におされてボール４００が空間４０５へ移動する。空間４０５に３本の流路４０２，４０３，４０４が接続されている。流路４０２，４０３，４０４は下流側の流路４０６で合流されている。これにより、ボール４００が空間４０５内でどの位置にあろうと、流体は流路４０１から流路４０５側に流れる構造になっている。
【００９３】
流路プレート３０４のガス流入口３０２からは、加圧ガスが入れられる。これは、高圧空気ボンベからの供給でもよいし、エアーポンプからの供給でもよいし、発泡性液体、例えば、炭酸水などを封入した容器からの炭酸ガス供給でもよい。
【００９４】
図１７は検査チップの使用時の状態を示す平面図と側面図である。
検査チップ３００の一側面にマイクロコンピュータ５２１が取り付けられている。流路プレート３０４の一表面に回転子プレート３０５が貼り付けられている。流路プレート３０４の裏面に温度制御部材３８８が貼り付けられている。
マイクロコンピュータ５２１を含む検査チップ３００の平面サイズは２２ｍｍ×２０ｍｍである。温度制御部材３８８において冷却側ペルチェ素子及び加熱側ペルチェ素子の二次元配列３８９の平面サイズは１１ｍｍ×１１ｍｍである。
【００９５】
検査チップ３００を用いて検体の核酸配列検査を行なう例を説明する。
（１）核酸配列検出にあたって、スィッチにより、マイクロコンピュータ５２１が作動する。マイクロコンピュータ５２１により、流路プレート３０４の流路３１７に対応する位置のペルチェ素子が冷却動作される。これにより、流路３１７内の水が凍結し、流路３１７は閉じられる。
【００９６】
（２）流路プレート３０４の符号３０１は注射器の針の挿入口である。注射器により採取した血液サンプルを挿入口３０１の穴に差し込み、血液サンプルを注入する。符号３０７はニトリルゴムにより形成されたチェックバルブである。符号３０６はカラス口のようになっていて、符号３０６から流路３０８の方向に液は進行するが、逆は進まない。血液サンプルは、空間３０９、流路３１０及び空間３１１を通過し、さらに狭い流路３１４を通過した後、空間３１５に入る。空間３０９には、予め血液凝固防止剤が封入されている。空間３１５には液吸着樹脂が封入されている。空間３１５は排気口３０３により大気と通じている。血液サンプルは、空間３１５内の樹脂に吸着され余分な液体は、外部には漏れださないようにしている。流路プレート３０４は内部を目視可能な程度に透明であるので、オペレータは血液の注入状況を目視で確認できる。空間３０９，３１１が血液の赤色に置き換われば、血液サンプル注入は成功したことが判断できる。
【００９７】
（３）空間３１９には前処理試薬として界面活性剤が封入されている。検査チップ３００が使用される際、空間３１９は予め加温又は冷却されている。それは、空間３１９内の液体が流路３２０に導入される前に、予め空間３１９内の液体の温度を制御して粘度を調整しておくためである。空間３１９から流路３２０に導入される液体の流量を少なくする場合は空間３１９を冷却しておく。また、その流量を多くする場合は空間３１９を加温しておく。
（４）流路３１４，３３３に対応する位置のペルチェ素子を冷却して、流路３１４，３３３内の流体を凍結させて流路３１４，３３３を閉状態にする。
（５）流路３１７に対応する位置のペルチェ素子を常温にして、流路３１７を開状態にする。
【００９８】
（６）バルブ３１６，３１８に対応する位置のペルチェ素子を加温して、バルブ３１６，３１８を開状態にする。ガス流入口３０２から加圧ガスが流れ、バルブ３１６、流路３１２を介して空間３１１内が加圧される。空間３１１内の血液は、流路３１３，３１７を流れて撹拌３２１に流れ込む。また、空間３１９内の試薬は、流路３２０を通過して、撹拌３２１に流れ込む。血液と試薬の余分な液体は、流路３２２，３２３を通過して、空間３１５に入り、液体吸着樹脂に吸着される。ここでチェックバルブ３０７は逆流防止機能を有するので、空間３１１内の血液は、流路３１０側に逆流しない。また、流路３１４は凍結して閉状態であるため、空間３１１内の血液は、空間３１５側にも行かない。また、流路３１７，３２０に対応する位置のペルチェ素子の温度を制御して、試薬と血液の混合比が所定の比になるように制御する。
【００９９】
（７）流路３１７，３２０に対応する位置のペルチェ素子を冷却して、流路３１７，３２０内の流体を凍結させて流路を閉状態にする。
（８）バルブ３２６に対応する位置のペルチェ素子を加温して、バルブ３２６を開状態にする。加圧ガスがバルブ３２６を介して流路３２７の穴を通過して、回転子プレート３０５のガス流入側流路３２８に到達する。ガス流入側流路３２８から回転子収容部３３０に流れ込んだガスは回転子３２９を右回りに回転させる。そして、ガスはガス排出側流路３３１を通過してガス排出口３３２から大気に放出される。
（９）回転子３２９には、磁石が埋め込まれているので、回転子３２９が回転することにより空間３２１内に収容された微小棒磁石が回転される。これにより、空間３２１内の液体と試薬が撹拌される。
【０１００】
（１０）空間３２１に対応する位置のペルチェ素子を加温して１分間９８℃に加熱する。ここで白血球中のＤＮＡが抽出され、１本鎖となる。その後、２５℃にする。
（１１）空間３３５には反応増幅試薬として塩化マグネシウムなどの触媒とリン酸塩バッファーなどの緩衝液と増幅に必要な核酸塩基の混合液が封入されている。検査チップ３００が使用される際、空間３３５は予め加温又は冷却されている。それは、空間３３５内の液体が流路３３６に導入される前に、予め空間３３５内の液体の温度を制御して粘度を調整しておくためである。空間３３５から流路３３６に導入される液体の流量を少なくする場合は空間３３５を冷却しておく。また、その流量を多くする場合は空間３３５を加温しておく。
（１２）流路３２２，３４９に対応する位置のペルチェ素子を冷却して、流路３２２，３４９内の流体を凍結させて流路３４９を閉状態にする。
（１３）流路３３３に対応する位置のペルチェ素子を常温にして、流路３３３流路を開状態にする。
【０１０１】
（１４）バルブ３２４，３３４に対応する位置のペルチェ素子を加温して、バルブ３２４，３３４を開状態にする。ガス流入口３０２から加圧ガスが流れ、バルブ３２４、流路３２５を介して空間３２１内が加圧される。空間３２１内の液体は、流路３３３を流れて空間３３７に流れ込む。空間３３５内の試薬は、流路３３６を通過して、空間３３７に流れ込む。それぞれの余分な液体は、流路３３８，３３９を通過して、空間３１５に入り、液体吸着樹脂に吸着される。流路３３３，３３６に対応する位置のペルチェ素子温度を制御して、空間３３５内の試薬と空間３２１内の液体の混合比が所定の比になるように制御する。
【０１０２】
（１５）流路３３６，３３３に対応する位置のペルチェ素子を冷却して、流路３３３，３３６内の流体を凍結させて流路３３３，３３６を閉状態にする。
（１６）バルブ３４２に対応する位置のペルチェ素子を加温して、バルブ３４２を開状態にする。加圧ガスが流路３４３の穴を通過して、回転子プレート３０５のガス流入側流路３４４に到達する。ガス流入側流路３４４から回転子収容部３４６に流れ込んだガスは回転子３４５を右回りに回転させる。そして、ガスはガス排出側流路３４７を通過してガス排出口３３２から大気に放出される。
（１７）回転子３４５には、磁石が埋め込まれているので、回転子３４５が回転することにより空間３３７内に収容された微小棒磁石が回転される。これにより、空間３３７内の液体と試薬が撹拌される。
【０１０３】
（１８）空間３３７に対応する位置のペルチェ素子の温度調節をして空間３３７内の温度を２５℃状態にする。
（１９）空間３５１には酵素として耐熱性ＤＮＡポリメラーゼが封入されている。検査チップ３００が使用される際、空間３５１は予め加温又は冷却されている。それは、空間３５１内の液体が流路３５２に導入される前に、予め空間３５１内の液体の温度を制御して粘度を調整しておくためである。空間３５１から流路３５２に導入される液体の流量を少なくする場合は空間３５１を冷却しておく。また、その流量を多くする場合は空間３５１を加温しておく。
（２０）流路３３８，３６５に対応する位置のペルチェ素子を冷却して、流路３３８，３６５内の流体を凍結させて流路３６５を閉状態にする。
（２１）流路３４９に対応する位置のペルチェ素子を常温にして、流路３４９を開状態にする。
【０１０４】
（２２）バルブ３４０，３５０に対応する位置のペルチェ素子を加温して、バルブ３４０，３５０を開状態にする。バルブ３４０からの加圧ガスが流れ、バルブ３４０、流路３４１を介して空間３３７内が加圧される。空間３３７内の液体は、流路３４９を流れて空間３５３に流れ込む。空間３５１内の試薬は、流路３５２を通過して、空間３５３に流れ込む。それぞれの余分な液体は、流路３５４，３５５を通過して、空間３１５に入り、液体吸着樹脂に吸着される。流路３５２，３４９に対応する位置のペルチェ素子温度を制御して、空間３５１内の試薬と空間３３７内の液体の混合比が所定の比になるように制御する。
【０１０５】
（２３）流路３４９，３５２に対応する位置のペルチェ素子を冷却して、流路３４９，３５２内の流体を凍結させて流路３４９，３５２を閉状態にする。
（２４）バルブ３５８に対応する位置のペルチェ素子を加温して、バルブ３５８を開状態にする。加圧ガスが流路３５９の穴を通過して、回転子プレート３０５のガス流入側流路３６０に到達する。ガス流入側流路３６０から回転子収容部３６２に流れ込んだガスは回転子３６１を右回りに回転させる。そして、ガスはガス排出側流路３６３を通過してガス排出口３３２から大気に放出される。
（２５）回転子３６１には、磁石が埋め込まれているので、回転子３６１が回転することにより空間３５３内に収容された微小棒磁石が回転される。これにより、空間３５３内の液体と試薬が撹拌される。
【０１０６】
（２６）空間３５３に対応する位置のペルチェ素子の温度調節をして空間３５３内の温度を２５℃状態にする。
（２７）空間３６７にはターゲットＤＮＡのプライマーが封入されている。検査チップ３００が使用される際、空間３６７は予め加温又は冷却されている。それは、空間３６７内の液体が流路３６８に導入される前に、予め空間３６７内の液体の温度を制御して粘度を調整しておくためである。空間３６７から流路３６８に導入される液体の流量を少なくする場合は空間３６７を冷却しておく。また、その流量を多くする場合は空間３６７を加温しておく。
（２８）流路３５４に対応する位置のペルチェ素子を冷却して、流路３５４内の流体を凍結させて流路３５４を閉状態にする。
（２９）流路３６５に対応する位置のペルチェ素子を常温にして、流路３６５を開状態にする。
【０１０７】
（３０）バルブ３５６，３６６に対応する位置のペルチェ素子を加温して、バルブ３５６，３６６を開状態にする。バルブ３５６からの加圧ガスが流れ、バルブ３５６、流路３５７を介して空間３５３内が加圧される。空間３５３内の液体は、流路３６５を流れて空間３６９に流れ込む。空間３６７内の試薬は、流路３６８を通過して、空間３６９に流れ込む。それぞれの余分な液体は、流路３７０，３７１を通過して、空間３１５に入り、液体吸着樹脂に吸着される。流路３６８，３６５に対応する位置のペルチェ素子温度を制御して、空間３６７内のプライマーと空間３５３内の液体の混合比が所定の比になるように制御する。
【０１０８】
（３１）流路３６５，３６８に対応する位置のペルチェ素子を冷却して、流路３６５，３６８内の流体を凍結させて流路３６５，３６８を閉状態にする。
（３２）バルブ３７４に対応する位置のペルチェ素子を加温して、バルブ３７４を開状態にする。加圧ガスが３７５の穴を通過して、回転子プレート３０５のガス流入側流路３７６に到達する。ガス流入側流路３７６から回転子収容部３７８に流れ込んだガスは回転子３７７を右回りに回転させる。そして、ガスはガス排出側流路３７９を通過してガス排出口３３２から大気に放出される。
（３３）回転子３７７には、磁石が埋め込まれているので、回転子３７７が回転することにより空間３６９内に収容された微小棒磁石が回転される。これにより、空間３６９内の液体と試薬が撹拌される。
【０１０９】
（３４）空間３６９に対応する位置のペルチェ素子の温度調節をして空間３６９内の温度を９４℃に１分間した後、６０℃程度に急速冷却してアニーリングする。その後、６５℃にして１分間保ち、再度９４℃に戻す温度制御サイクルを例えば２０回繰り返す。その後、２５℃にする。
（３５）流路３７０に対応する位置のペルチェ素子を冷却して、流路３７０内の流体を凍結させて流路３７０を閉状態にする。
【０１１０】
（３６）バルブ３７２に対応する位置のペルチェ素子を加温して、バルブ３７２を開状態にする。バルブ３７２からの加圧ガスが流れ、バルブ３７２、流路３７３を介して空間３６９内が加圧される。空間３６９内の液体は、流路３８６を通過して空間３８７に入る。余分な液体は、空間３１５に入り、液体吸着樹脂に吸着される。空間３８７には、予め蛍光試薬が封入されている。この蛍光試薬は、ターゲットＤＮＡがあれば、その蛍光が抑止されるものである。
（３７）空間３８７で４９０ｎｍの波長光を照射し、５２０ｎｍの蛍光強度を測定することにより、ターゲットＤＮＡの増幅があるかないかを検知する。
これにより、核酸配列検査が完了する。
【０１１１】
以上、本発明の実施例を説明したが、材料、形状、配置等は一例であり、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
【０１１２】
例えば、前記実施例では、流路の温度を変化させる熱源として、ペルチェ素子やヒーターを用いているが、流路に光を照射することによって流路の温度を変化させてもよい。流路に光を照射するための光源として、例えばＬＥＤや半導体レーザーを挙げることができる。また、光源と光ファイバーを用い、光源から光ファイバーの入射端に入れた光を光ファイバーの出射端から出射させて流路に光を照射して流路の温度を変化させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１１３】
３ ペルチェ素子プレート
１１ 純水の入った容器
１２ アンモニア水の入った容器
１３，１４ 温度調整部
１７，１８ ＰＦＡチューブ（流路）
１９ 合流部
１１１ ガラス部（マイクロ流体デバイス）
１１５ 流量制御部（流路）
１１８，１１９ ペルチェ素子
３００ 検査チップ（マイクロ流体デバイス）
３１０，３１４，３１７，３２０，３２２，３３３，３３６，３３８，３４９，３５２，３５４，３６５，３６８，３７０，３８６ 流路
３８９ ヒーター又はペルチェ素子の二次元配列
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路内を流れる液体の温度を変化させて前記流体の粘度を変化させることにより前記流路内での前記流体の流量を制御する流体制御方法において、
前記流路はマイクロ流体デバイス内に形成されたものであり、流路内を流れる液体の温度を変化させるための流量制御部をもっており、
前記マイクロ流体デバイス内に存在する前記流量制御部の数よりも多くの熱源が２次元配列に配置された温度制御部材を前記マイクロ流体デバイス上に設け、
前記熱源のうち前記流量制御部上に配置されている熱源を選択的に作動させることにより対応する前記流量制御部を介して前記流路内を流れる液体の流量を制御することを特徴とする流体制御方法。
【請求項２】
前記熱源はヒーター、ペルチェ素子、ＬＥＤ又は半導体レーザーである請求項１に記載の流体制御方法。
【請求項３】
前記温度制御部材は前記熱源が平面内の互いに直交する方向に沿って配列されたものであり、
前記流量制御部上に配置されている前記熱源の位置を示すアドレスデータを保持しておき、
そのアドレスデータを基にして前記熱源を選択的に作動させる請求項１又は２に記載の流体制御方法。
【請求項４】
前記温度制御部材は前記熱源としてペルチェ素子をもったものであり、
前記流量制御部において前記液体の温度を下げて前記液体を固体化させることによって前記流路を詰まらせて前記液体の流量を遮断する１から３のいずれか一項に記載の流体制御方法。
【請求項５】
前記流路の配管長さと、前記流路内を流れる前記液体の流速、密度及び粘度を調整して、前記液体が層流状態又は乱流状態に切り替わる境界条件に設定しておき、前記流路の温度変化で前記液体の粘度を変化させて液体を層流状態から乱流状態へ、又はその逆に変化させることによって前記液体の流量を変化させる請求項１から４のいずれか一項に記載の流体制御方法。
【請求項６】
前記流路の設定温度と前記液体の流量との関係を予め取得しておき、その関係を示すデータに基づいて所望の流量を得る請求項１から４のいずれか一項に記載の流体制御方法。
【請求項７】
前記マイクロ流体デバイスは複数の前記流路が合流部で１個の流路に合流する流路構成を備えたものであり、
前記合流部より上流側の流路の前記流量制御部の温度を制御してそれらの流路内を流れる液体の流量を制御することによって複数の前記流路から前記合流部に供給される液体の比率を制御する請求項１から４のいずれか一項に記載の流体制御方法。
【請求項８】
流路内を流れる液体の温度を変化させるための流量制御部をもつ少なくとも１つの流路が形成されたマイクロ流体デバイスと、
前記マイクロ流体デバイス上に設けられ、前記マイクロ流体デバイス内に存在する前記流量制御部の数よりも多くの熱源が２次元配列に配置された温度制御部材と、を備え、
前記熱源のうち前記流量制御部上に配置されている熱源を選択的に作動させることにより対応する前記流量制御部を介して前記流路内を流れる液体の流量を制御する流体制御装置。
【請求項９】
前記熱源はヒーター、ペルチェ素子、ＬＥＤ又は半導体レーザーである請求項８に記載の流体制御装置。
【請求項１０】
前記流路内を流れる液体の流量を制御するマイクロコンピュータを備え、
前記温度制御部材は前記熱源が平面内の互いに直交する方向に沿って配列されたものであり、
前記マイクロコンピュータは前記流量制御部上に配置されている前記熱源の位置を示すアドレスデータを保持しており、そのアドレスデータを基にして前記熱源を選択的に作動させるものである請求項９に記載の流体制御装置。
【請求項１１】
前記流量制御部は流路断面積が他の部分の流路断面積に比べて小さく形成されている請求項９又は１０に記載の流体制御装置。
【請求項１２】
前記流路は、ガラス部材、半導体部材又は金属部材の一部分がエッチング技術によって除去されて形成されたものである請求項９から１１のいずれか一項に記載の流体制御装置。
【請求項１３】
前記流路はフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によって形成された型を樹脂に転写形成することによって形成されたものである請求項９から１１のいずれか一項に記載の流体制御装置。
【請求項１】
流路内を流れる液体の温度を変化させて前記流体の粘度を変化させることにより前記流路内での前記流体の流量を制御する流体制御方法において、
前記流路はマイクロ流体デバイス内に形成されたものであり、流路内を流れる液体の温度を変化させるための流量制御部をもっており、
前記マイクロ流体デバイス内に存在する前記流量制御部の数よりも多くの熱源が２次元配列に配置された温度制御部材を前記マイクロ流体デバイス上に設け、
前記熱源のうち前記流量制御部上に配置されている熱源を選択的に作動させることにより対応する前記流量制御部を介して前記流路内を流れる液体の流量を制御することを特徴とする流体制御方法。
【請求項２】
前記熱源はヒーター、ペルチェ素子、ＬＥＤ又は半導体レーザーである請求項１に記載の流体制御方法。
【請求項３】
前記温度制御部材は前記熱源が平面内の互いに直交する方向に沿って配列されたものであり、
前記流量制御部上に配置されている前記熱源の位置を示すアドレスデータを保持しておき、
そのアドレスデータを基にして前記熱源を選択的に作動させる請求項１又は２に記載の流体制御方法。
【請求項４】
前記温度制御部材は前記熱源としてペルチェ素子をもったものであり、
前記流量制御部において前記液体の温度を下げて前記液体を固体化させることによって前記流路を詰まらせて前記液体の流量を遮断する１から３のいずれか一項に記載の流体制御方法。
【請求項５】
前記流路の配管長さと、前記流路内を流れる前記液体の流速、密度及び粘度を調整して、前記液体が層流状態又は乱流状態に切り替わる境界条件に設定しておき、前記流路の温度変化で前記液体の粘度を変化させて液体を層流状態から乱流状態へ、又はその逆に変化させることによって前記液体の流量を変化させる請求項１から４のいずれか一項に記載の流体制御方法。
【請求項６】
前記流路の設定温度と前記液体の流量との関係を予め取得しておき、その関係を示すデータに基づいて所望の流量を得る請求項１から４のいずれか一項に記載の流体制御方法。
【請求項７】
前記マイクロ流体デバイスは複数の前記流路が合流部で１個の流路に合流する流路構成を備えたものであり、
前記合流部より上流側の流路の前記流量制御部の温度を制御してそれらの流路内を流れる液体の流量を制御することによって複数の前記流路から前記合流部に供給される液体の比率を制御する請求項１から４のいずれか一項に記載の流体制御方法。
【請求項８】
流路内を流れる液体の温度を変化させるための流量制御部をもつ少なくとも１つの流路が形成されたマイクロ流体デバイスと、
前記マイクロ流体デバイス上に設けられ、前記マイクロ流体デバイス内に存在する前記流量制御部の数よりも多くの熱源が２次元配列に配置された温度制御部材と、を備え、
前記熱源のうち前記流量制御部上に配置されている熱源を選択的に作動させることにより対応する前記流量制御部を介して前記流路内を流れる液体の流量を制御する流体制御装置。
【請求項９】
前記熱源はヒーター、ペルチェ素子、ＬＥＤ又は半導体レーザーである請求項８に記載の流体制御装置。
【請求項１０】
前記流路内を流れる液体の流量を制御するマイクロコンピュータを備え、
前記温度制御部材は前記熱源が平面内の互いに直交する方向に沿って配列されたものであり、
前記マイクロコンピュータは前記流量制御部上に配置されている前記熱源の位置を示すアドレスデータを保持しており、そのアドレスデータを基にして前記熱源を選択的に作動させるものである請求項９に記載の流体制御装置。
【請求項１１】
前記流量制御部は流路断面積が他の部分の流路断面積に比べて小さく形成されている請求項９又は１０に記載の流体制御装置。
【請求項１２】
前記流路は、ガラス部材、半導体部材又は金属部材の一部分がエッチング技術によって除去されて形成されたものである請求項９から１１のいずれか一項に記載の流体制御装置。
【請求項１３】
前記流路はフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によって形成された型を樹脂に転写形成することによって形成されたものである請求項９から１１のいずれか一項に記載の流体制御装置。
【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】
【公開番号】特開２０１３−６１３５４（Ｐ２０１３−６１３５４Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１３−７９（Ｐ２０１３−７９）
【出願日】平成２５年１月４日（２０１３．１．４）
【分割の表示】特願２００８−２６８２８０（Ｐ２００８−２６８２８０）の分割
【原出願日】平成２０年１０月１７日（２００８．１０．１７）
【出願人】（０００００１０９６）倉敷紡績株式会社 (296)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２５年１月４日（２０１３．１．４）
【分割の表示】特願２００８−２６８２８０（Ｐ２００８−２６８２８０）の分割
【原出願日】平成２０年１０月１７日（２００８．１０．１７）
【出願人】（０００００１０９６）倉敷紡績株式会社 (296)
【Ｆターム（参考）】
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