粒子分離機構
【課題】 粒子を連続して効率的に分離することができる粒子分離機構を提供する。
【解決手段】 粒子２を含む溶液が流れることができる流路と、粒子を含む溶液を流路に流すためのマイクロポンプと、流路の途中において流路を横断する方向に電界を生じさせるように電圧を印加することができる電極２４，２６と、流路内において上記電界により粒子２が寄せられる側に配置され該粒子２を捕らえることができる粒子捕捉部２２とを備える。
【解決手段】 粒子２を含む溶液が流れることができる流路と、粒子を含む溶液を流路に流すためのマイクロポンプと、流路の途中において流路を横断する方向に電界を生じさせるように電圧を印加することができる電極２４，２６と、流路内において上記電界により粒子２が寄せられる側に配置され該粒子２を捕らえることができる粒子捕捉部２２とを備える。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、粒子分離機構に関し、詳しくは、溶液中に含まれる粒子を分離するために用いることができる粒子分離機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】最近、マイクロマシン技術を応用して、化学分析や合成などの機器・手法を微細化して行うμ−ＴＡＳ（μ−Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）が注目されている。
【０００３】例えば、溶液に含まれる粒子を分離するμ−ＴＡＳの分離機構として、流路途中に微細加工技術によりマイクロストラクチャーを形成したり高分子ゲルを充填したりしてフィルターを形成し、粒子サイズによる分離を行うという考え方があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】この場合、フィルターは、流路底面から上面まで流路断面全体に形成されている。そのため、ポンプによる溶液推進力を用いて粒子をフィルターで分離しようとした場合、一般的に分離されるサイズ（サブμｍから３０μｍ程度）では、フィルターの穴が小さくなり過ぎて流路抵抗が大きくなり、溶液がフィルターを透過するようにすることが困難であった。
【０００５】また、発生圧力の極端に強いポンプによって、穴が比較的大きなフィルターを溶液が透過する場合、初めのうちは粒子の分離は可能であっても、やがて分離された粒子がフィルターの穴に詰まってしまい、流路抵抗が極端に大きくなり、溶液を輸送できなくなる。
【０００６】したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、粒子を連続して効率的に分離することができる粒子分離機構を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の粒子分離機構を提供する。
【０００８】粒子分離機構は、粒子を含む溶液が流れることができる流路と、上記流路の所定領域において上記流路を横断する方向に電界或いは磁界を生じさせ上記粒子を変更させる偏向手段と、上記流路内において上記偏向手段により上記粒子が寄せられる側に配置され、該粒子を捕らえることができる粒子捕捉部とを備える。
【０００９】上記構成において、流路を流れる溶液中の粒子は、所定領域を進行するときに、偏向手段によって形成される電界或いは磁界の方向（又はそれとは逆方向）に進行方向が曲げられ、流路の片側に寄せられ、そこに配置された粒子捕捉部で捕捉される。これにより、粒子を含む溶液から、所望の粒子を分離することができる。
【００１０】上記構成によれば、流路を横断する方向に電界或いは磁界を生じさせて粒子を分離する構成としている。流路を横断する方向、例えば流路の幅方向或いは高さ方向、は流路の長さ方向に比べて非常に寸法が小さいため、所望の電界或いは磁界を発生するのに要する電圧或いは磁力は小さくて済む。
【００１１】したがって、偏向手段として比較的低い電界或いは磁界を発生する構成を採用でき、粒子分離機構を安価及び／又は小型に構成することができる。
【００１２】具体的には、以下のように種々の態様で構成することができる。
【００１３】第１の態様として、好ましくは、上記粒子捕捉部は、突起部である。上記突起部は、上記流路を形成する面のうち偏向側の面にその基端を有する。上記突起部は、上記流路の断面において上記偏向側から一部のみを占有している。
【００１４】上記構成において、粒子捕捉部である突起部は、流路内において流路を横断する方向の片側に配置される。溶液中の粒子は、電界或いは磁界によって引き寄せられ、突起部に引っ掛かって捕捉される。粒子捕捉部に留まった粒子は、例えば偏向手段によって逆向きの電界或いは磁界を生じさせるようにして粒子捕捉部から遊離させ、下流に流すことにより、回収することができる。
【００１５】この構成によると、粒子捕捉部は流路断面全体を占有しておらず、流路の一部他側には何も配置されないので、流路の断面方向全体に粒子が詰まり、溶液の流れを阻害することはない。したがって、連続して効率的に粒子を分離することができる。
【００１６】突起部は、任意の形状とすることができる。例えば、流路の横断方向に延在する板状としたもよい。あるいは、突起部で囲むことによりくぼみを形成し、このくぼみが流路の中央側に開口するようにしてもよい。粒子を効率的に捕捉するためには、好ましくは、複数の柱状の突起部を設け、突起部の間を溶液が流れるようにする。
【００１７】好ましくは、上記粒子捕捉部は、柱状の複数の上記突起部を含む。隣接する上記突起部間の隙間は、０．１μｍ以上５０μｍ以下である。
【００１８】上記構成は、全血から、赤血球、白血球及び血小板を突起部に引っ掛けて除去し、血漿成分を抽出する場合等に好適である。
【００１９】第２の態様として、好ましくは、上記流路は、流れ方向上流側に一つの主流路を含み、流れ方向下流側に上記主流路から分岐する２以上の分岐流路を含む。この場合、所定領域は上記主流路と上記分岐流路との分岐点近傍であり、偏向手段は当該分岐点近傍において、上記各分岐流路に設けられた、上記各分岐流路を挟んで配置された電極を備える。
【００２０】上記構成において、いずれか一つの分岐流路について、その分岐流路を挟んで両側に配置された電極には電位の異なる電圧をそれぞれ印加し、その分岐流路を横断する方向に電界が生じるようにする。一方、他の分岐流路については、その分岐流路を挟んで両側に配置された電極に同電位の電圧を印加する。これによって、分岐流路を横断する方向に電界が生じた分岐流路に、溶液中の粒子を引き寄せ、その分岐流路に流れ込むようにすることができる。
【００２１】上記構成において、その両側に配置された電極に電位の異なる電圧が印加されて、その分岐流路を横断する方向に電界が生じる分岐流路が、選択的に粒子捕捉部になることができる。
【００２２】上記構成によれば、捕捉した粒子は分岐流路を流れるので、粒子の抽出が容易である。また、連続的に粒子を回収することができ、粒子捕捉部に留まった粒子を除去するための特別な操作は不要となる。
【００２３】好ましくは、上記電極は、シリコンの基板に高濃度の不純物をドープした低抵抗部分として形成される。上記流路は、上記基板の上記不純物がドープされた領域を部分的にエッチング加工により除去することにより形成される。
【００２４】上記構成によれば、マイクロマシニングプロセスを応用して、流路（主流路及び分岐流路）と電極を有する粒子分離機構を、容易かつ効率的に製造することができる。
【００２５】又、本発明の別の側面を反映した粒子分離機構は、粒子を含む溶液が流れることができる流路と、上記流路を形成する一側面にその基端を有するフィルタ手段と、を備え、上記フィルタ手段は上記流路の断面において上記一側面側から一部のみを占有している。
【００２６】この構成によると、粒子捕捉部は流路断面全体を占有しておらず、流路の一部他側には何も配置されないので、流路の断面方向全体に粒子が詰まり、溶液の流れを阻害することはない。したがって、連続して効率的に粒子を分離することができる。ここで、上記フィルタ手段としては、種々の構成を採用することができる。例えば、マイクロマシニングプロセスを応用して流路内に形成したマイクロストラクチャーであってもよく、多孔質ガラスやポーラスシリコンを流路壁面に貼付したものであってもよく、更には流路壁面を陽極化成によってポーラス状にしてもよい。
【００２７】さらに本発明の別の側面を反映した粒子分離機構は、粒子を含む溶液が流れることができる流路であって、主流路と、上記主流路の下流側に設けられ、上記主流路から分岐する第１分岐流路及び第２分岐流路と、を含む流路と、上記流路の分岐点近傍であって、上記第１分岐流路を挟んで設けられた第１電極対と、上記流路の分岐点近傍であって、上記第２分岐流路を挟んで設けられた第２電極対と、を備える。
【００２８】上記構成において、いずれか一つの分岐流路について、その分岐流路を挟んで両側に配置された電極対には電位の異なる電圧をそれぞれ印加し、その分岐流路を横断する方向に電界が生じるようにする。一方、他の分岐流路については、その分岐流路を挟んで両側に配置された電極対に同電位の電圧を印加する。このようにすることによって、分岐流路を横断する方向に電界が生じた分岐流路に、溶液中の粒子を引き寄せ、その分岐流路に流れ込むようにすることができる。
【００２９】上記第１電極対の一方の電極と上記第２電極対の一方の電極とが共用されていてもよく、このようにすることによって電極構成を簡略化することができる。
【００３０】上記第１、第２電極対は、シリコンの基板に高濃度の不純物をドープして形成されてもよく、上記流路は、上記基板の上記不純物がドープされた領域を部分的にエッチング加工により除去することにより形成されてもよい。
【００３１】上記何れの粒子分離機構においても、上記粒子を含む上記溶液を上記流路に流すためのマイクロポンプを更に備えていてもよい。
【００３２】上記各構成の粒子分離機構は、溶液から粒子を分離する粒子分離装置に好適に用いることができる。この場合、上記粒子分離装置は、上記粒子分離機構の上記マイクロポンプを駆動するマイクロポンプ駆動回路と、上記偏向手段を駆動する偏向手段制御回路（或いは、上記電極に電圧を印加する電圧印加回路）と、上記マイクロポンプ駆動回路および上記偏向手段制御回路／電圧印加回路の動作を制御する制御回路とを備える。
【００３３】また、本発明は、以下の粒子分離方法を提供する。
【００３４】粒子分離方法は、粒子分離機構を用いて、溶液中に含まれる粒子を分離するタイプの方法である。粒子分離方法は、上記粒子分離機構に形成された流路に、上記粒子を含む上記溶液を流す第１ステップと、上記所定領域において上記流路を横断する方向に電界或いは磁界形成し、上記流路を流れる上記溶液中の上記粒子を、上記流路の一側面側に寄せる第２ステップと、上記一側面側に寄せられた上記粒子を、上記一側面側に形成されたマイクロストラクチャーで捕捉する第３ステップとを備える。
【００３５】さらに、本発明は、以下の粒子分離方法を提供する。
【００３６】粒子分離方法は、粒子分離機構を用いて、溶液中に含まれる粒子を分離するタイプの方法である。粒子分離方法は、上記粒子分離機構に形成された主流路と当該主流路から分岐する複数の分岐流路とを含む流路に、上記粒子を含む上記溶液を流す第１ステップと、上記流路の分離部近傍において、上記分岐流路の各々について当該分岐流路の両側面の各々を所望の電気的或いは磁気的なポテンシャルに設定する第２ステップと、上記第２ステップの電位設定によって形成される電界或いは磁界により、上記流路を流れる上記溶液中の上記粒子を、上記分岐流路のいずれか一つに寄せ、その分岐流路を流れるようにする第３ステップと、を備える。
【００３７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の各実施形態に係る粒子分離機構について、図面を参照しながら説明する。
【００３８】まず、第１実施形態の粒子分離機構について説明する。
【００３９】第１実施形態の粒子分離機構は、流路途中のマイクロストラクチャーの高さを流路深さより低くして、フィルターによる極端な流路抵抗の増大を緩和する構成としている。即ち、流路の深さ方向において下側のみにマイクロストラクチャーによるフィルタが存在しており、深さ方向の上側にはフィルタが存在しない。フィルターが存在しない部分から分離したい粒子が逃げないように、流路内のマイクロストラクチャーを形成した領域には、流路底と蓋との間に電圧を印加できる構成にしている。そして、溶液から分離する対象となる粒子を電気泳動によりフィルター部分（マイクロストラクチャーを形成した領域）に引きつけておきながら、溶液をポンプ力で流して、粒子をマイクロストラクチャーを形成した領域に取り込んで分離する。尚、本実施形態では電気泳動によりフィルタ領域に粒子を引き付ける構成としているため、分離対象となるのは電気的に吸引できる粒子、例えば荷電可能な粒子である。しかし、本発明はこのような形態に限られるものではない。例えば、免疫学的試験では、磁性粒子に抗原或いは抗体をつけてこれを溶液から分離することがあり、このような用途においては磁力によってフィルタ領域に粒子を引き付ける構成であることが考えられる。
【００４０】具体的には、粒子分離装置（図示せず）に装填するマイクロチップ１０を、図１及び図２のように構成する。
【００４１】すなわち、図１（ａ）の断面図に示すように、マイクロチップ１０は、大略、微小な流路１４が基板１０ｂ上に形成され、その上をカバー１０ａで覆われてなる。例えば、マイクロチップ１０の外形寸法は約２０ｍｍ×４０ｍｍ×０．５ｍｍである。流路１４の幅は２００μｍ、深さは約１００μｍである。
【００４２】流路１４の一端には、矢印４０で示すように溶液を供給するための液入口１２が設けられ、他端には、矢印４２で示すように溶液を排出するための液出口１６が設けられている。流路１４の途中には、溶液を液出口１６側に送り出すためのマイクロポンプ１３と、溶液中の粒子を捕捉するためのマイクロストラクチャー部２０とが配置されている。
【００４３】詳しくは、図１（ｂ）の模式平面図に示すように、２つの液入口１２ａ，１２ｂと、２つのマイクロポンプ１３ａ，１３ｂと、２つの液出口１６ａ，１６ｂと、分岐した複数の流路１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅとを備える。マイクロポンプ１３ａ，１３ｂは、例えば振動板に圧電素子が貼り付けられていてユニモルフ駆動により送液を行うディフューザー型ポンプである。
【００４４】マイクロストラクチャー部２０には、図２の要部拡大断面図に示したように、流路１４ｃを挟んで基板１０ｂとカバー１０ａとに配置された電極２４，２６と、一方の電極２４側から流路１４ｃの略中央まで流路横断方向に突出した高アスペクト比の多数の突起部２２とが設けられている。
【００４５】突起部２２の高さＨは、流路の深さより小さい。隣接する突起部２２間の隙間Ｇは、粒子サイズに応じて適宜に決定することができる。例えば、突起部２２で全血から赤血球、白血球及び血小板を取り除き、血漿成分を抽出する場合等には、隣接する突起部２２間の隙間Ｇは、０．１μｍ以上５０μｍ以下とすることが好ましい。
【００４６】電極２４，２６と突起部２２とは、半導体の分野で用いられている微細加工技術を応用することにより、例えば図３に示した手順で形成することができる。
【００４７】すなわち、まず図３（ａ）に示したように、シリコンウエハー７０を用意する。次に、図３（ｂ）に示したように、シリコンウエハー７０の上下面に、例えば熱酸化により厚さ１．５μｍ程度の酸化膜７２，７４を成膜する。
【００４８】次に、一方の酸化膜７２にレジストを塗布、露光、現像した後、酸化膜７２の一部をエッチングにより除去し、残ったレジストを剥離して、図３（ｃ）に示すように、酸化膜７２の一部７２ａを薄くする。
【００４９】次に、一部７２ａが薄くなった酸化膜７２にレジストを塗布、露光、現像した後、酸化膜７２のエッチングを行い、残ったレジストを剥離して、図３（ｄ）に示すように、流路１４に対応する部分の酸化膜７２を完全に除去し、突起部２２に対応する部分に他よりも薄い酸化膜７２ｂが残るようにする。
【００５０】次に、イオンを基板に加速することで異方性のドライエッチングを行うドライエッチング方法であるＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ、反応性イオンエッチング）よりさらに深溝加工ができる異方性のドライエッチング方法であるＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｚｕｍａ、高周波誘導結合型プラズマ）またはＤｅｅｐ ＲＩＥ（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ、デープ・リアクティブ・イオン・エッチング）を用いて、シリコン７０をエッチングする。次に、酸化膜７２ｂを、エッチングにより除去する。これにより、図３R>３（ｅ）に示すように、シリコンウエハー７０には、突起２２に隣接する部分７０ｂを残し、流路１４となる部分７０ａが途中まで除去される。
【００５１】次に、ＩＣＰを用いて、シリコンウエハー７０をさらにエッチングする。これにより、図３（ｆ）に示すように、シリコンウエハー７０には、突起２２となる部分７０ｂ’と、流路１４となる部分７０ａ’とが形成される。
【００５２】次に、図３（ｇ）に示すように、残った酸化膜７２をエッチングにより除去する。そして、シリコンウエハー７０にカバー７６を乗せ、例えば４００°Ｃで９００Ｖの電圧を印加して、接合する。
【００５３】上記各工程において、レジスト塗布は、例えば東京応化レジストＯＦＰＲ８００をスピンコートにより１．０μｍの厚さとなるように行う。レジストの露光は、例えばアライナイーによる。レジストの現像には、例えば東京応化の現像液ＮＭＤ−３を用いる。酸化膜エッチングは、例えばＣＨＦ３を使用ガスとするリアクティブイオンエッチングにより行う。レジスト剥離には、例えば硫酸と過酸化水素の混合液を用いる。
【００５４】基板１０ｂ側の電極２４は、シリコンウエハー７０の対応部分に予め高濃度の不純物（例えばアンチモンやボロン等）をドープして低抵抗とすることにより形成する。カバー１０ａ側の電極２６は、カバー１０ａと基板１０ｂを接合する前に、予め金属を蒸着する等により形成しておく。
【００５５】マイクロチップ１０が装填される粒子分離装置１００は、図２に示すように、マイクロチップ１０のマイクロポンプ１３ａ，１３ｂを駆動するマイクロポンプ駆動回路１０１と、電極２４，２６に電圧を印加する電圧印加回路１０２と、マイクロポンプ駆動回路及び電圧印加回路の動作を制御する制御回路１０３とを備える。
【００５６】次に、マイクロチップ１０を用いて粒子を分離する方法について説明する。
【００５７】例えば、粒子を含んだ溶液は、マイクロチップ１０の一方の液入口１２ａに供給される。粒子を含んだ溶液は、マイクロポンプ１３ａにより流路１４ａ，１４ｃ，１４ｄを流れ、一方の液出口１６ａから排出される。
【００５８】このとき、図２に示すように、電極２４，２６に電圧が印加され、電極２４，２６間に電界が生じるようにすると、矢印４４で示したように流路１４ｃを流れる溶液中の粒子２は、負の電荷を有する場合、電極２４側に引き寄せられ、電極２４側に設けた突起部２２に引っ掛かり、マイクロストラクチャー部２０に留まる。そのため、矢印４６で示したように、マイクロストラクチャー部２０より下流側には溶液だけが流れる。つまり、粒子２を含む溶液から粒子２を分離して、液出口１６ａから溶液だけを回収することができる。
【００５９】次に、マイクロチップ１０の他方の液入口１２ｂに洗浄液を供給する。洗浄液は、マイクロポンプ１３ｂにより流路１４ｂ，１４ｃ，１４ｅを流れ、他方の液出口１６ｂから排出される。
【００６０】このとき、電極２４，２６に例えば正負逆の電圧を印加し、電極２４，２６間に逆向きの電界が生じるようにする。これにより、マイクロストラクチャー部２０に留まっている粒子２は、突起部２２とは反対側の電極２６側に移動し、洗浄液とともに液出口１６ｂから排出される。つまり、分離された粒子２を液出口１６ｂから回収することができる。
【００６１】マイクロチップ１０は、溶液の主な推進力としてマイクロポンプ１３ａ，１３ｂを用い、流路途中に突起部２２によりフィルター（マイクロストラクチャー）を形成している。流路１４ｃの略半分は、このフィルターで遮られないようになっており、粒子２はその部分からフィルター側に流れと直角方向に引き寄せられるので、粒子分離によりフィルターで急激な流路抵抗の増大が生じないようにすることができる。また、継続して溶液を送ることができ、粒子分離機能の経時劣化が少ない。
【００６２】上記実施形態においては、電極２４，２６を流路壁に設けており、これら両者が近接しているため、粒子２を電気泳動にて引き付けるのに要する電圧が低くて済み、分離装置１００を小型で安価な構成とすることができるという利点がある。しかし、低電圧化、小型化等の要求がない場合、例えば両電極２４，２６をマイクロチップ１０側に設けず、分離装置１００側に設ける形態としてもよい。
【００６３】次に、第２実施形態の粒子分離機構について説明する。
【００６４】第２実施形態の粒子分離機構は、流路内には流路抵抗の増大の原因になるフィルターを設けないで、流路途中にＹ字分岐部を設け、右側に電圧を印加したり左側に電圧を印加して電気泳動により粒子（分離粒子）を任意の方向に導いて分離する。
【００６５】具体的には、図４及び図５に示したマイクロチップ５０を用いる。
【００６６】図４（ａ）の断面図に示すように、マイクロチップ５０は、大略、微小な流路５４が基板５０ｂ上に形成され、その上をカバー５０ａで覆われてなる。マイクロチップ５０は、前述したマイクロチップ１０と略同様の寸法・構成である。
【００６７】流路５４の一端には、矢印９０で示すように液を供給するための液入口５２が設けられ、他端には、矢印９２で示すように液を排出するための液出口５６が設けられている。流路５４の途中には、液を送り出すためのマイクロポンプ５３ａ，５３ｂが配置されている。
【００６８】詳しくは、図４（ｂ）の模式平面図に示すように、２つの液入口５２ａ，５２ｂと、２つの液出口５６ａ，５６ｂと、分岐した複数の流路５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，Ｉ，ＩＩとを備える。流路５４ａ，５４ｂの途中には、マイクロポンプ５３ａ，５３ｂを備える。流路５４ｃは主流路、流路Ｉ，ＩＩは分岐流路である。
【００６９】流路分岐部５４ｄの近傍６０は、図５の模式図に示したように構成されている。
【００７０】すなわち、流路５４ｃと流路Ｉとの間及び流路５４ｃと流路ＩＩ側との間にはそれぞれ絶縁部Ｘ，Ｙが配置されている。さらに、絶縁部Ｘと流路Ｉとの間、絶縁部Ｙと流路ＩＩとの間、及び流路Ｉと流路ＩＩとの間には、それぞれ互いに絶縁された３つの電極Ａ，Ｂ，Ｃが形成されている。
【００７１】具体的には、部分的に高濃度不純物（例えばアンチモンやボロン等）をドープしたシリコンの基板５０ｂの表層近傍の低抵抗部分をエッチングにより加工して流路Ｉ，ＩＩを形成し、流路Ｉ，ＩＩの壁が電極Ａ，Ｂ，Ｃとなるようにする。
【００７２】マイクロチップ５０は、粒子分離装置１００’の電圧印加回路１０２’から、各電極Ａ，Ｂ，Ｃに例えば表１に示す組み合わせで電圧を印加することにより、負に帯電した粒子を流路Ｉ又はＩＩに導くことができる。
【表１】
【００７３】すなわち、電極Ａに正、電極Ｂ及びＣに負の電圧を印加すると、流路分岐部５４ｄ近傍では、図において下向きの電界が生じる。これにより、マイクロポンプ５３により矢印９４の方向に溶液とともに流れる粒子は、負に帯電している場合、流路分岐部５４ｄ近傍で図において上向きに移動し、流路分岐部５４ｄの通過後は、矢印９６で示すように流路Ｉ側を流れる。
【００７４】一方、電極Ａ及びＢに負、電極Ｃに正の電圧を印加すると、流路分岐部５４ｄ近傍では、図において上向きの電界が生じる。これにより、負に帯電している粒子は、流路分岐部５４ｄ近傍で図において下向きに移動し、流路分岐部５４ｄの通過後は、矢印９８で示すように流路ＩＩ側を流れる。
【００７５】分岐する流路は、２つに限らず、３つ以上であってもよい。
【００７６】例えば図６に示すように、３つの流路Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩと絶縁部Ｘ，Ｙとの間に、互いに絶縁された電極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを設けた場合には、例えば表２に示した組み合わせで各電極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに電圧を印加することにより、マイクロポンプＰにより溶液に混ざって流れる負に帯電した粒子を、所望の流路に流路Ｉ、ＩＩ又はＩＩＩに流すことができる。
【表２】
【００７７】すなわち、図６において、粒子が流路分岐部近傍において上側、中央又は下側に寄せられるような電界を生じさせることにより、粒子を流路Ｉ、ＩＩ又はＩＩＩに導くことができる。
【００７８】マイクロチップ５０は、溶液の主な推進力としてマイクロポンプ５３を用い、流路途中にフィルターを形成することなく粒子を分離することができる。分離された粒子は、粒子を分離する部分に留まらないので、粒子分離能力が時間ととも劣化することはない。
【００７９】以上説明したマイクロチップ１０，５０は、粒子を分離するために補助的に電気泳動を用いているので、流路幅間に電圧を印加すればよい。通常、２〜３ｋＶ／ｃｍの印加電圧が必要であるが、流路幅はせいぜい２００μｍ程度なので、印加電圧は４０〜６０Ｖ程度となる。粒子の推進力として電気泳動を用いる場合には例えば数ｋＶの電圧を印加するが、これと比べ、非常に低電圧の印加でよい。
【００８０】なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。
【００８１】例えば図４において、主流路５４ｃに沿ってＣＣＤラインセンサ等を配置して主流路５４ｃ内における粒子の流路方向の移動を検出し、所望の粒子（例えば、ＤＮＡや蛋白質を含む粒子）だけを流路Ｉ又はＩＩの一方に導いて選択的に回収するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態の粒子分離機構であるマイクロチップの構成図である。
【図２】 図１のマイクロストラクチャー部の要部拡大図である。
【図３】 図１のマイクロチップの製造工程説明図である。
【図４】 本発明の第２実施形態の粒子分離機構であるマイクロチップの構成図である。
【図５】 図４の要部模式図である。
【図６】 変形例のマイクロチップの要部模式構成図である。
【符号の説明】
１３ａ，１３ｂ マイクロポンプ
１４ｃ 流路
２０ マイクロストラクチャー部
２２ 突起部（粒子捕捉部、マイクロストラクチャー、フィルタ手段）
２４，２６ 電極（偏向手段）
５３ マイクロポンプ
５６ｃ 主流路
１００，１００’ 粒子分離装置
１０１ マイクロポンプ駆動回路
１０１’ 制御回路
１０２，１０２’ 電圧印加回路（偏向手段駆動回路）
１０３ 制御回路
１０３’ マイクロポンプ駆動回路
Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩ 分岐流路（粒子捕捉部）
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ 電極
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、粒子分離機構に関し、詳しくは、溶液中に含まれる粒子を分離するために用いることができる粒子分離機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】最近、マイクロマシン技術を応用して、化学分析や合成などの機器・手法を微細化して行うμ−ＴＡＳ（μ−Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）が注目されている。
【０００３】例えば、溶液に含まれる粒子を分離するμ−ＴＡＳの分離機構として、流路途中に微細加工技術によりマイクロストラクチャーを形成したり高分子ゲルを充填したりしてフィルターを形成し、粒子サイズによる分離を行うという考え方があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】この場合、フィルターは、流路底面から上面まで流路断面全体に形成されている。そのため、ポンプによる溶液推進力を用いて粒子をフィルターで分離しようとした場合、一般的に分離されるサイズ（サブμｍから３０μｍ程度）では、フィルターの穴が小さくなり過ぎて流路抵抗が大きくなり、溶液がフィルターを透過するようにすることが困難であった。
【０００５】また、発生圧力の極端に強いポンプによって、穴が比較的大きなフィルターを溶液が透過する場合、初めのうちは粒子の分離は可能であっても、やがて分離された粒子がフィルターの穴に詰まってしまい、流路抵抗が極端に大きくなり、溶液を輸送できなくなる。
【０００６】したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、粒子を連続して効率的に分離することができる粒子分離機構を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の粒子分離機構を提供する。
【０００８】粒子分離機構は、粒子を含む溶液が流れることができる流路と、上記流路の所定領域において上記流路を横断する方向に電界或いは磁界を生じさせ上記粒子を変更させる偏向手段と、上記流路内において上記偏向手段により上記粒子が寄せられる側に配置され、該粒子を捕らえることができる粒子捕捉部とを備える。
【０００９】上記構成において、流路を流れる溶液中の粒子は、所定領域を進行するときに、偏向手段によって形成される電界或いは磁界の方向（又はそれとは逆方向）に進行方向が曲げられ、流路の片側に寄せられ、そこに配置された粒子捕捉部で捕捉される。これにより、粒子を含む溶液から、所望の粒子を分離することができる。
【００１０】上記構成によれば、流路を横断する方向に電界或いは磁界を生じさせて粒子を分離する構成としている。流路を横断する方向、例えば流路の幅方向或いは高さ方向、は流路の長さ方向に比べて非常に寸法が小さいため、所望の電界或いは磁界を発生するのに要する電圧或いは磁力は小さくて済む。
【００１１】したがって、偏向手段として比較的低い電界或いは磁界を発生する構成を採用でき、粒子分離機構を安価及び／又は小型に構成することができる。
【００１２】具体的には、以下のように種々の態様で構成することができる。
【００１３】第１の態様として、好ましくは、上記粒子捕捉部は、突起部である。上記突起部は、上記流路を形成する面のうち偏向側の面にその基端を有する。上記突起部は、上記流路の断面において上記偏向側から一部のみを占有している。
【００１４】上記構成において、粒子捕捉部である突起部は、流路内において流路を横断する方向の片側に配置される。溶液中の粒子は、電界或いは磁界によって引き寄せられ、突起部に引っ掛かって捕捉される。粒子捕捉部に留まった粒子は、例えば偏向手段によって逆向きの電界或いは磁界を生じさせるようにして粒子捕捉部から遊離させ、下流に流すことにより、回収することができる。
【００１５】この構成によると、粒子捕捉部は流路断面全体を占有しておらず、流路の一部他側には何も配置されないので、流路の断面方向全体に粒子が詰まり、溶液の流れを阻害することはない。したがって、連続して効率的に粒子を分離することができる。
【００１６】突起部は、任意の形状とすることができる。例えば、流路の横断方向に延在する板状としたもよい。あるいは、突起部で囲むことによりくぼみを形成し、このくぼみが流路の中央側に開口するようにしてもよい。粒子を効率的に捕捉するためには、好ましくは、複数の柱状の突起部を設け、突起部の間を溶液が流れるようにする。
【００１７】好ましくは、上記粒子捕捉部は、柱状の複数の上記突起部を含む。隣接する上記突起部間の隙間は、０．１μｍ以上５０μｍ以下である。
【００１８】上記構成は、全血から、赤血球、白血球及び血小板を突起部に引っ掛けて除去し、血漿成分を抽出する場合等に好適である。
【００１９】第２の態様として、好ましくは、上記流路は、流れ方向上流側に一つの主流路を含み、流れ方向下流側に上記主流路から分岐する２以上の分岐流路を含む。この場合、所定領域は上記主流路と上記分岐流路との分岐点近傍であり、偏向手段は当該分岐点近傍において、上記各分岐流路に設けられた、上記各分岐流路を挟んで配置された電極を備える。
【００２０】上記構成において、いずれか一つの分岐流路について、その分岐流路を挟んで両側に配置された電極には電位の異なる電圧をそれぞれ印加し、その分岐流路を横断する方向に電界が生じるようにする。一方、他の分岐流路については、その分岐流路を挟んで両側に配置された電極に同電位の電圧を印加する。これによって、分岐流路を横断する方向に電界が生じた分岐流路に、溶液中の粒子を引き寄せ、その分岐流路に流れ込むようにすることができる。
【００２１】上記構成において、その両側に配置された電極に電位の異なる電圧が印加されて、その分岐流路を横断する方向に電界が生じる分岐流路が、選択的に粒子捕捉部になることができる。
【００２２】上記構成によれば、捕捉した粒子は分岐流路を流れるので、粒子の抽出が容易である。また、連続的に粒子を回収することができ、粒子捕捉部に留まった粒子を除去するための特別な操作は不要となる。
【００２３】好ましくは、上記電極は、シリコンの基板に高濃度の不純物をドープした低抵抗部分として形成される。上記流路は、上記基板の上記不純物がドープされた領域を部分的にエッチング加工により除去することにより形成される。
【００２４】上記構成によれば、マイクロマシニングプロセスを応用して、流路（主流路及び分岐流路）と電極を有する粒子分離機構を、容易かつ効率的に製造することができる。
【００２５】又、本発明の別の側面を反映した粒子分離機構は、粒子を含む溶液が流れることができる流路と、上記流路を形成する一側面にその基端を有するフィルタ手段と、を備え、上記フィルタ手段は上記流路の断面において上記一側面側から一部のみを占有している。
【００２６】この構成によると、粒子捕捉部は流路断面全体を占有しておらず、流路の一部他側には何も配置されないので、流路の断面方向全体に粒子が詰まり、溶液の流れを阻害することはない。したがって、連続して効率的に粒子を分離することができる。ここで、上記フィルタ手段としては、種々の構成を採用することができる。例えば、マイクロマシニングプロセスを応用して流路内に形成したマイクロストラクチャーであってもよく、多孔質ガラスやポーラスシリコンを流路壁面に貼付したものであってもよく、更には流路壁面を陽極化成によってポーラス状にしてもよい。
【００２７】さらに本発明の別の側面を反映した粒子分離機構は、粒子を含む溶液が流れることができる流路であって、主流路と、上記主流路の下流側に設けられ、上記主流路から分岐する第１分岐流路及び第２分岐流路と、を含む流路と、上記流路の分岐点近傍であって、上記第１分岐流路を挟んで設けられた第１電極対と、上記流路の分岐点近傍であって、上記第２分岐流路を挟んで設けられた第２電極対と、を備える。
【００２８】上記構成において、いずれか一つの分岐流路について、その分岐流路を挟んで両側に配置された電極対には電位の異なる電圧をそれぞれ印加し、その分岐流路を横断する方向に電界が生じるようにする。一方、他の分岐流路については、その分岐流路を挟んで両側に配置された電極対に同電位の電圧を印加する。このようにすることによって、分岐流路を横断する方向に電界が生じた分岐流路に、溶液中の粒子を引き寄せ、その分岐流路に流れ込むようにすることができる。
【００２９】上記第１電極対の一方の電極と上記第２電極対の一方の電極とが共用されていてもよく、このようにすることによって電極構成を簡略化することができる。
【００３０】上記第１、第２電極対は、シリコンの基板に高濃度の不純物をドープして形成されてもよく、上記流路は、上記基板の上記不純物がドープされた領域を部分的にエッチング加工により除去することにより形成されてもよい。
【００３１】上記何れの粒子分離機構においても、上記粒子を含む上記溶液を上記流路に流すためのマイクロポンプを更に備えていてもよい。
【００３２】上記各構成の粒子分離機構は、溶液から粒子を分離する粒子分離装置に好適に用いることができる。この場合、上記粒子分離装置は、上記粒子分離機構の上記マイクロポンプを駆動するマイクロポンプ駆動回路と、上記偏向手段を駆動する偏向手段制御回路（或いは、上記電極に電圧を印加する電圧印加回路）と、上記マイクロポンプ駆動回路および上記偏向手段制御回路／電圧印加回路の動作を制御する制御回路とを備える。
【００３３】また、本発明は、以下の粒子分離方法を提供する。
【００３４】粒子分離方法は、粒子分離機構を用いて、溶液中に含まれる粒子を分離するタイプの方法である。粒子分離方法は、上記粒子分離機構に形成された流路に、上記粒子を含む上記溶液を流す第１ステップと、上記所定領域において上記流路を横断する方向に電界或いは磁界形成し、上記流路を流れる上記溶液中の上記粒子を、上記流路の一側面側に寄せる第２ステップと、上記一側面側に寄せられた上記粒子を、上記一側面側に形成されたマイクロストラクチャーで捕捉する第３ステップとを備える。
【００３５】さらに、本発明は、以下の粒子分離方法を提供する。
【００３６】粒子分離方法は、粒子分離機構を用いて、溶液中に含まれる粒子を分離するタイプの方法である。粒子分離方法は、上記粒子分離機構に形成された主流路と当該主流路から分岐する複数の分岐流路とを含む流路に、上記粒子を含む上記溶液を流す第１ステップと、上記流路の分離部近傍において、上記分岐流路の各々について当該分岐流路の両側面の各々を所望の電気的或いは磁気的なポテンシャルに設定する第２ステップと、上記第２ステップの電位設定によって形成される電界或いは磁界により、上記流路を流れる上記溶液中の上記粒子を、上記分岐流路のいずれか一つに寄せ、その分岐流路を流れるようにする第３ステップと、を備える。
【００３７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の各実施形態に係る粒子分離機構について、図面を参照しながら説明する。
【００３８】まず、第１実施形態の粒子分離機構について説明する。
【００３９】第１実施形態の粒子分離機構は、流路途中のマイクロストラクチャーの高さを流路深さより低くして、フィルターによる極端な流路抵抗の増大を緩和する構成としている。即ち、流路の深さ方向において下側のみにマイクロストラクチャーによるフィルタが存在しており、深さ方向の上側にはフィルタが存在しない。フィルターが存在しない部分から分離したい粒子が逃げないように、流路内のマイクロストラクチャーを形成した領域には、流路底と蓋との間に電圧を印加できる構成にしている。そして、溶液から分離する対象となる粒子を電気泳動によりフィルター部分（マイクロストラクチャーを形成した領域）に引きつけておきながら、溶液をポンプ力で流して、粒子をマイクロストラクチャーを形成した領域に取り込んで分離する。尚、本実施形態では電気泳動によりフィルタ領域に粒子を引き付ける構成としているため、分離対象となるのは電気的に吸引できる粒子、例えば荷電可能な粒子である。しかし、本発明はこのような形態に限られるものではない。例えば、免疫学的試験では、磁性粒子に抗原或いは抗体をつけてこれを溶液から分離することがあり、このような用途においては磁力によってフィルタ領域に粒子を引き付ける構成であることが考えられる。
【００４０】具体的には、粒子分離装置（図示せず）に装填するマイクロチップ１０を、図１及び図２のように構成する。
【００４１】すなわち、図１（ａ）の断面図に示すように、マイクロチップ１０は、大略、微小な流路１４が基板１０ｂ上に形成され、その上をカバー１０ａで覆われてなる。例えば、マイクロチップ１０の外形寸法は約２０ｍｍ×４０ｍｍ×０．５ｍｍである。流路１４の幅は２００μｍ、深さは約１００μｍである。
【００４２】流路１４の一端には、矢印４０で示すように溶液を供給するための液入口１２が設けられ、他端には、矢印４２で示すように溶液を排出するための液出口１６が設けられている。流路１４の途中には、溶液を液出口１６側に送り出すためのマイクロポンプ１３と、溶液中の粒子を捕捉するためのマイクロストラクチャー部２０とが配置されている。
【００４３】詳しくは、図１（ｂ）の模式平面図に示すように、２つの液入口１２ａ，１２ｂと、２つのマイクロポンプ１３ａ，１３ｂと、２つの液出口１６ａ，１６ｂと、分岐した複数の流路１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅとを備える。マイクロポンプ１３ａ，１３ｂは、例えば振動板に圧電素子が貼り付けられていてユニモルフ駆動により送液を行うディフューザー型ポンプである。
【００４４】マイクロストラクチャー部２０には、図２の要部拡大断面図に示したように、流路１４ｃを挟んで基板１０ｂとカバー１０ａとに配置された電極２４，２６と、一方の電極２４側から流路１４ｃの略中央まで流路横断方向に突出した高アスペクト比の多数の突起部２２とが設けられている。
【００４５】突起部２２の高さＨは、流路の深さより小さい。隣接する突起部２２間の隙間Ｇは、粒子サイズに応じて適宜に決定することができる。例えば、突起部２２で全血から赤血球、白血球及び血小板を取り除き、血漿成分を抽出する場合等には、隣接する突起部２２間の隙間Ｇは、０．１μｍ以上５０μｍ以下とすることが好ましい。
【００４６】電極２４，２６と突起部２２とは、半導体の分野で用いられている微細加工技術を応用することにより、例えば図３に示した手順で形成することができる。
【００４７】すなわち、まず図３（ａ）に示したように、シリコンウエハー７０を用意する。次に、図３（ｂ）に示したように、シリコンウエハー７０の上下面に、例えば熱酸化により厚さ１．５μｍ程度の酸化膜７２，７４を成膜する。
【００４８】次に、一方の酸化膜７２にレジストを塗布、露光、現像した後、酸化膜７２の一部をエッチングにより除去し、残ったレジストを剥離して、図３（ｃ）に示すように、酸化膜７２の一部７２ａを薄くする。
【００４９】次に、一部７２ａが薄くなった酸化膜７２にレジストを塗布、露光、現像した後、酸化膜７２のエッチングを行い、残ったレジストを剥離して、図３（ｄ）に示すように、流路１４に対応する部分の酸化膜７２を完全に除去し、突起部２２に対応する部分に他よりも薄い酸化膜７２ｂが残るようにする。
【００５０】次に、イオンを基板に加速することで異方性のドライエッチングを行うドライエッチング方法であるＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ、反応性イオンエッチング）よりさらに深溝加工ができる異方性のドライエッチング方法であるＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｚｕｍａ、高周波誘導結合型プラズマ）またはＤｅｅｐ ＲＩＥ（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ、デープ・リアクティブ・イオン・エッチング）を用いて、シリコン７０をエッチングする。次に、酸化膜７２ｂを、エッチングにより除去する。これにより、図３R>３（ｅ）に示すように、シリコンウエハー７０には、突起２２に隣接する部分７０ｂを残し、流路１４となる部分７０ａが途中まで除去される。
【００５１】次に、ＩＣＰを用いて、シリコンウエハー７０をさらにエッチングする。これにより、図３（ｆ）に示すように、シリコンウエハー７０には、突起２２となる部分７０ｂ’と、流路１４となる部分７０ａ’とが形成される。
【００５２】次に、図３（ｇ）に示すように、残った酸化膜７２をエッチングにより除去する。そして、シリコンウエハー７０にカバー７６を乗せ、例えば４００°Ｃで９００Ｖの電圧を印加して、接合する。
【００５３】上記各工程において、レジスト塗布は、例えば東京応化レジストＯＦＰＲ８００をスピンコートにより１．０μｍの厚さとなるように行う。レジストの露光は、例えばアライナイーによる。レジストの現像には、例えば東京応化の現像液ＮＭＤ−３を用いる。酸化膜エッチングは、例えばＣＨＦ３を使用ガスとするリアクティブイオンエッチングにより行う。レジスト剥離には、例えば硫酸と過酸化水素の混合液を用いる。
【００５４】基板１０ｂ側の電極２４は、シリコンウエハー７０の対応部分に予め高濃度の不純物（例えばアンチモンやボロン等）をドープして低抵抗とすることにより形成する。カバー１０ａ側の電極２６は、カバー１０ａと基板１０ｂを接合する前に、予め金属を蒸着する等により形成しておく。
【００５５】マイクロチップ１０が装填される粒子分離装置１００は、図２に示すように、マイクロチップ１０のマイクロポンプ１３ａ，１３ｂを駆動するマイクロポンプ駆動回路１０１と、電極２４，２６に電圧を印加する電圧印加回路１０２と、マイクロポンプ駆動回路及び電圧印加回路の動作を制御する制御回路１０３とを備える。
【００５６】次に、マイクロチップ１０を用いて粒子を分離する方法について説明する。
【００５７】例えば、粒子を含んだ溶液は、マイクロチップ１０の一方の液入口１２ａに供給される。粒子を含んだ溶液は、マイクロポンプ１３ａにより流路１４ａ，１４ｃ，１４ｄを流れ、一方の液出口１６ａから排出される。
【００５８】このとき、図２に示すように、電極２４，２６に電圧が印加され、電極２４，２６間に電界が生じるようにすると、矢印４４で示したように流路１４ｃを流れる溶液中の粒子２は、負の電荷を有する場合、電極２４側に引き寄せられ、電極２４側に設けた突起部２２に引っ掛かり、マイクロストラクチャー部２０に留まる。そのため、矢印４６で示したように、マイクロストラクチャー部２０より下流側には溶液だけが流れる。つまり、粒子２を含む溶液から粒子２を分離して、液出口１６ａから溶液だけを回収することができる。
【００５９】次に、マイクロチップ１０の他方の液入口１２ｂに洗浄液を供給する。洗浄液は、マイクロポンプ１３ｂにより流路１４ｂ，１４ｃ，１４ｅを流れ、他方の液出口１６ｂから排出される。
【００６０】このとき、電極２４，２６に例えば正負逆の電圧を印加し、電極２４，２６間に逆向きの電界が生じるようにする。これにより、マイクロストラクチャー部２０に留まっている粒子２は、突起部２２とは反対側の電極２６側に移動し、洗浄液とともに液出口１６ｂから排出される。つまり、分離された粒子２を液出口１６ｂから回収することができる。
【００６１】マイクロチップ１０は、溶液の主な推進力としてマイクロポンプ１３ａ，１３ｂを用い、流路途中に突起部２２によりフィルター（マイクロストラクチャー）を形成している。流路１４ｃの略半分は、このフィルターで遮られないようになっており、粒子２はその部分からフィルター側に流れと直角方向に引き寄せられるので、粒子分離によりフィルターで急激な流路抵抗の増大が生じないようにすることができる。また、継続して溶液を送ることができ、粒子分離機能の経時劣化が少ない。
【００６２】上記実施形態においては、電極２４，２６を流路壁に設けており、これら両者が近接しているため、粒子２を電気泳動にて引き付けるのに要する電圧が低くて済み、分離装置１００を小型で安価な構成とすることができるという利点がある。しかし、低電圧化、小型化等の要求がない場合、例えば両電極２４，２６をマイクロチップ１０側に設けず、分離装置１００側に設ける形態としてもよい。
【００６３】次に、第２実施形態の粒子分離機構について説明する。
【００６４】第２実施形態の粒子分離機構は、流路内には流路抵抗の増大の原因になるフィルターを設けないで、流路途中にＹ字分岐部を設け、右側に電圧を印加したり左側に電圧を印加して電気泳動により粒子（分離粒子）を任意の方向に導いて分離する。
【００６５】具体的には、図４及び図５に示したマイクロチップ５０を用いる。
【００６６】図４（ａ）の断面図に示すように、マイクロチップ５０は、大略、微小な流路５４が基板５０ｂ上に形成され、その上をカバー５０ａで覆われてなる。マイクロチップ５０は、前述したマイクロチップ１０と略同様の寸法・構成である。
【００６７】流路５４の一端には、矢印９０で示すように液を供給するための液入口５２が設けられ、他端には、矢印９２で示すように液を排出するための液出口５６が設けられている。流路５４の途中には、液を送り出すためのマイクロポンプ５３ａ，５３ｂが配置されている。
【００６８】詳しくは、図４（ｂ）の模式平面図に示すように、２つの液入口５２ａ，５２ｂと、２つの液出口５６ａ，５６ｂと、分岐した複数の流路５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，Ｉ，ＩＩとを備える。流路５４ａ，５４ｂの途中には、マイクロポンプ５３ａ，５３ｂを備える。流路５４ｃは主流路、流路Ｉ，ＩＩは分岐流路である。
【００６９】流路分岐部５４ｄの近傍６０は、図５の模式図に示したように構成されている。
【００７０】すなわち、流路５４ｃと流路Ｉとの間及び流路５４ｃと流路ＩＩ側との間にはそれぞれ絶縁部Ｘ，Ｙが配置されている。さらに、絶縁部Ｘと流路Ｉとの間、絶縁部Ｙと流路ＩＩとの間、及び流路Ｉと流路ＩＩとの間には、それぞれ互いに絶縁された３つの電極Ａ，Ｂ，Ｃが形成されている。
【００７１】具体的には、部分的に高濃度不純物（例えばアンチモンやボロン等）をドープしたシリコンの基板５０ｂの表層近傍の低抵抗部分をエッチングにより加工して流路Ｉ，ＩＩを形成し、流路Ｉ，ＩＩの壁が電極Ａ，Ｂ，Ｃとなるようにする。
【００７２】マイクロチップ５０は、粒子分離装置１００’の電圧印加回路１０２’から、各電極Ａ，Ｂ，Ｃに例えば表１に示す組み合わせで電圧を印加することにより、負に帯電した粒子を流路Ｉ又はＩＩに導くことができる。
【表１】
【００７３】すなわち、電極Ａに正、電極Ｂ及びＣに負の電圧を印加すると、流路分岐部５４ｄ近傍では、図において下向きの電界が生じる。これにより、マイクロポンプ５３により矢印９４の方向に溶液とともに流れる粒子は、負に帯電している場合、流路分岐部５４ｄ近傍で図において上向きに移動し、流路分岐部５４ｄの通過後は、矢印９６で示すように流路Ｉ側を流れる。
【００７４】一方、電極Ａ及びＢに負、電極Ｃに正の電圧を印加すると、流路分岐部５４ｄ近傍では、図において上向きの電界が生じる。これにより、負に帯電している粒子は、流路分岐部５４ｄ近傍で図において下向きに移動し、流路分岐部５４ｄの通過後は、矢印９８で示すように流路ＩＩ側を流れる。
【００７５】分岐する流路は、２つに限らず、３つ以上であってもよい。
【００７６】例えば図６に示すように、３つの流路Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩと絶縁部Ｘ，Ｙとの間に、互いに絶縁された電極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを設けた場合には、例えば表２に示した組み合わせで各電極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに電圧を印加することにより、マイクロポンプＰにより溶液に混ざって流れる負に帯電した粒子を、所望の流路に流路Ｉ、ＩＩ又はＩＩＩに流すことができる。
【表２】
【００７７】すなわち、図６において、粒子が流路分岐部近傍において上側、中央又は下側に寄せられるような電界を生じさせることにより、粒子を流路Ｉ、ＩＩ又はＩＩＩに導くことができる。
【００７８】マイクロチップ５０は、溶液の主な推進力としてマイクロポンプ５３を用い、流路途中にフィルターを形成することなく粒子を分離することができる。分離された粒子は、粒子を分離する部分に留まらないので、粒子分離能力が時間ととも劣化することはない。
【００７９】以上説明したマイクロチップ１０，５０は、粒子を分離するために補助的に電気泳動を用いているので、流路幅間に電圧を印加すればよい。通常、２〜３ｋＶ／ｃｍの印加電圧が必要であるが、流路幅はせいぜい２００μｍ程度なので、印加電圧は４０〜６０Ｖ程度となる。粒子の推進力として電気泳動を用いる場合には例えば数ｋＶの電圧を印加するが、これと比べ、非常に低電圧の印加でよい。
【００８０】なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。
【００８１】例えば図４において、主流路５４ｃに沿ってＣＣＤラインセンサ等を配置して主流路５４ｃ内における粒子の流路方向の移動を検出し、所望の粒子（例えば、ＤＮＡや蛋白質を含む粒子）だけを流路Ｉ又はＩＩの一方に導いて選択的に回収するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態の粒子分離機構であるマイクロチップの構成図である。
【図２】 図１のマイクロストラクチャー部の要部拡大図である。
【図３】 図１のマイクロチップの製造工程説明図である。
【図４】 本発明の第２実施形態の粒子分離機構であるマイクロチップの構成図である。
【図５】 図４の要部模式図である。
【図６】 変形例のマイクロチップの要部模式構成図である。
【符号の説明】
１３ａ，１３ｂ マイクロポンプ
１４ｃ 流路
２０ マイクロストラクチャー部
２２ 突起部（粒子捕捉部、マイクロストラクチャー、フィルタ手段）
２４，２６ 電極（偏向手段）
５３ マイクロポンプ
５６ｃ 主流路
１００，１００’ 粒子分離装置
１０１ マイクロポンプ駆動回路
１０１’ 制御回路
１０２，１０２’ 電圧印加回路（偏向手段駆動回路）
１０３ 制御回路
１０３’ マイクロポンプ駆動回路
Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩ 分岐流路（粒子捕捉部）
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ 電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】 粒子を含む溶液が流れることができる流路と、上記流路の所定領域において上記流路を横断する方向に電界或いは磁界を生じさせ上記粒子を偏向させる偏向手段と、上記流路内において上記偏向手段により上記粒子が寄せられる偏向側に配置され、該粒子を捕らえることができる粒子捕捉部とを備えたことを特徴とする粒子分離機構。
【請求項２】上記粒子捕捉部は、上記流路を形成する面のうち上記偏向側の面にその基端を有する突起部であり、当該突起部は上記流路の断面において上記偏向側から一部のみを占有していることを特徴とする、請求項１記載の粒子分離機構。
【請求項３】 上記粒子捕捉部は、柱状の複数の突起部を含み、隣接する上記突起部間の隙間は、０．１μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする、請求項２記載の粒子分離機構。
【請求項４】 上記偏向手段は、上記所定領域において上記流路を挟んで設けられた一対の電極を含むことを特徴とする請求項１記載の粒子分離機構。
【請求項５】 上記流路は、流れ方向上流側に一つの主流路を含み、流れ方向下流側に上記主流路から分岐する２以上の分岐流路を含み、上記所定領域は上記主流路と上記分岐流路との分岐点近傍であり、上記偏向手段は当該分岐点近傍において上記各分岐流路に設けられた、上記各分岐流路を挟んで配置された電極を備えたことを特徴とする、請求項１記載の粒子分離機構。
【請求項６】 上記分岐流路のうち少なくとも一つが上記粒子捕捉部を構成することを特徴とする、請求項５記載の粒子分離機構。
【請求項７】 上記電極は、シリコンの基板に高濃度の不純物をドープして形成され、上記流路は、上記基板の上記不純物がドープされた領域を部分的にエッチング加工により除去することにより形成されたことを特徴とする、請求項４記載の粒子分離機構。
【請求項８】 粒子を含む溶液が流れることができる流路と、上記流路を形成する一側面にその基端を有するフィルタ手段と、を備え、上記フィルタ手段は上記流路の断面において上記一側面側から一部のみを占有していることを特徴とする粒子分離機構。
【請求項９】 上記フィルタ手段は、上記流路を形成する一側面にその基端を有するマイクロストラクチャーであることを特徴とする、請求項８記載の粒子分離機構。
【請求項１０】 上記マイクロストラクチャー部の基端近傍に電極が設けられていることを特徴とする、請求項８記載の粒子分離機構。
【請求項１１】 粒子を含む溶液が流れることができる流路であって、主流路と、上記主流路の下流側に設けられ、上記主流路から分岐する第１分岐流路及び第２分岐流路と、を含む流路と、上記流路の分岐点近傍であって、上記第１分岐流路を挟んで設けられた第１電極対と、上記流路の分岐点近傍であって、上記第２分岐流路を挟んで設けられた第２電極対と、を備えたことを特徴とする粒子分離機構。
【請求項１２】 上記第１電極対の一方の電極と上記第２電極対の一方の電極とが共用されていることを特徴とする請求項１１記載の粒子分離機構。
【請求項１３】 上記第１、第２電極対は、シリコンの基板に高濃度の不純物をドープして形成され、上記流路は、上記基板の上記不純物がドープされた領域を部分的にエッチング加工により除去することにより形成されたことを特徴とする、請求項１１及び１２の何れかに記載の粒子分離機構。
【請求項１４】 上記粒子を含む上記溶液を上記流路に流すためのマイクロポンプを更に備えたことを特徴とする、請求項１乃至１３の何れかに記載の粒子分離機構。
【請求項１５】 請求項１３記載の粒子分離機構を用いて、溶液から粒子を分離する粒子分離装置であって、上記粒子分離機構の上記マイクロポンプを駆動するマイクロポンプ駆動回路と、上記マイクロポンプ駆動回路の動作を制御する制御回路と、を備えたことを特徴とする、粒子分離装置。
【請求項１６】 請求項１乃至１０の何れかに記載の粒子分離機構を用いて、溶液から粒子を分離する粒子分離装置であって、上記偏向手段を駆動する偏向手段駆動回路と、上記偏向手段駆動回路の動作を制御する制御回路と、を備えたことを特徴とする、粒子分離装置。
【請求項１７】 請求項１１乃至１３の何れかに記載の粒子分離機構を用いて、溶液から粒子を分離する粒子分離装置であって、上記第１、第２電極対に電圧を印加する電圧印加回路と、上記電圧印加回路を制御する制御回路と、を備えたことを特徴とする、粒子分離装置。
【請求項１８】 粒子分離機構を用いて、溶液中に含まれる粒子を分離する粒子分離方法であって、上記粒子分離機構に形成された流路に、上記粒子を含む上記溶液を流す第１ステップと、上記流路の所定領域において上記流路を横断する方向に電界或いは磁界を形成し、上記流路を流れる上記溶液中の上記粒子を、上記流路の一側面側に寄せる第２ステップと、上記一側面側に寄せられた上記粒子を、上記一側面側に形成されたマイクロストラクチャーで捕捉する第３ステップとを備えたことを特徴とする、粒子分離方法。
【請求項１９】 粒子分離機構を用いて、溶液中に含まれる粒子を分離する粒子分離方法であって、上記粒子分離機構に形成され主流路と当該主流路から分岐する複数の分岐流路とを含む流路に、上記粒子を含む上記溶液を流す第１ステップと、上記流路の分離部近傍において、上記分岐流路の各々について当該分岐流路の両側面の各々を所望の電気的或いは磁気的なポテンシャルに設定する第２ステップと、上記第２ステップの電位設定によって形成される電界或いは磁界により、上記流路を流れる上記溶液中の上記粒子を、上記分岐流路のいずれか一つに寄せ、その分岐流路を流れるようにする第３ステップと、を備えたことを特徴とする、粒子分離方法。
【請求項１】 粒子を含む溶液が流れることができる流路と、上記流路の所定領域において上記流路を横断する方向に電界或いは磁界を生じさせ上記粒子を偏向させる偏向手段と、上記流路内において上記偏向手段により上記粒子が寄せられる偏向側に配置され、該粒子を捕らえることができる粒子捕捉部とを備えたことを特徴とする粒子分離機構。
【請求項２】上記粒子捕捉部は、上記流路を形成する面のうち上記偏向側の面にその基端を有する突起部であり、当該突起部は上記流路の断面において上記偏向側から一部のみを占有していることを特徴とする、請求項１記載の粒子分離機構。
【請求項３】 上記粒子捕捉部は、柱状の複数の突起部を含み、隣接する上記突起部間の隙間は、０．１μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする、請求項２記載の粒子分離機構。
【請求項４】 上記偏向手段は、上記所定領域において上記流路を挟んで設けられた一対の電極を含むことを特徴とする請求項１記載の粒子分離機構。
【請求項５】 上記流路は、流れ方向上流側に一つの主流路を含み、流れ方向下流側に上記主流路から分岐する２以上の分岐流路を含み、上記所定領域は上記主流路と上記分岐流路との分岐点近傍であり、上記偏向手段は当該分岐点近傍において上記各分岐流路に設けられた、上記各分岐流路を挟んで配置された電極を備えたことを特徴とする、請求項１記載の粒子分離機構。
【請求項６】 上記分岐流路のうち少なくとも一つが上記粒子捕捉部を構成することを特徴とする、請求項５記載の粒子分離機構。
【請求項７】 上記電極は、シリコンの基板に高濃度の不純物をドープして形成され、上記流路は、上記基板の上記不純物がドープされた領域を部分的にエッチング加工により除去することにより形成されたことを特徴とする、請求項４記載の粒子分離機構。
【請求項８】 粒子を含む溶液が流れることができる流路と、上記流路を形成する一側面にその基端を有するフィルタ手段と、を備え、上記フィルタ手段は上記流路の断面において上記一側面側から一部のみを占有していることを特徴とする粒子分離機構。
【請求項９】 上記フィルタ手段は、上記流路を形成する一側面にその基端を有するマイクロストラクチャーであることを特徴とする、請求項８記載の粒子分離機構。
【請求項１０】 上記マイクロストラクチャー部の基端近傍に電極が設けられていることを特徴とする、請求項８記載の粒子分離機構。
【請求項１１】 粒子を含む溶液が流れることができる流路であって、主流路と、上記主流路の下流側に設けられ、上記主流路から分岐する第１分岐流路及び第２分岐流路と、を含む流路と、上記流路の分岐点近傍であって、上記第１分岐流路を挟んで設けられた第１電極対と、上記流路の分岐点近傍であって、上記第２分岐流路を挟んで設けられた第２電極対と、を備えたことを特徴とする粒子分離機構。
【請求項１２】 上記第１電極対の一方の電極と上記第２電極対の一方の電極とが共用されていることを特徴とする請求項１１記載の粒子分離機構。
【請求項１３】 上記第１、第２電極対は、シリコンの基板に高濃度の不純物をドープして形成され、上記流路は、上記基板の上記不純物がドープされた領域を部分的にエッチング加工により除去することにより形成されたことを特徴とする、請求項１１及び１２の何れかに記載の粒子分離機構。
【請求項１４】 上記粒子を含む上記溶液を上記流路に流すためのマイクロポンプを更に備えたことを特徴とする、請求項１乃至１３の何れかに記載の粒子分離機構。
【請求項１５】 請求項１３記載の粒子分離機構を用いて、溶液から粒子を分離する粒子分離装置であって、上記粒子分離機構の上記マイクロポンプを駆動するマイクロポンプ駆動回路と、上記マイクロポンプ駆動回路の動作を制御する制御回路と、を備えたことを特徴とする、粒子分離装置。
【請求項１６】 請求項１乃至１０の何れかに記載の粒子分離機構を用いて、溶液から粒子を分離する粒子分離装置であって、上記偏向手段を駆動する偏向手段駆動回路と、上記偏向手段駆動回路の動作を制御する制御回路と、を備えたことを特徴とする、粒子分離装置。
【請求項１７】 請求項１１乃至１３の何れかに記載の粒子分離機構を用いて、溶液から粒子を分離する粒子分離装置であって、上記第１、第２電極対に電圧を印加する電圧印加回路と、上記電圧印加回路を制御する制御回路と、を備えたことを特徴とする、粒子分離装置。
【請求項１８】 粒子分離機構を用いて、溶液中に含まれる粒子を分離する粒子分離方法であって、上記粒子分離機構に形成された流路に、上記粒子を含む上記溶液を流す第１ステップと、上記流路の所定領域において上記流路を横断する方向に電界或いは磁界を形成し、上記流路を流れる上記溶液中の上記粒子を、上記流路の一側面側に寄せる第２ステップと、上記一側面側に寄せられた上記粒子を、上記一側面側に形成されたマイクロストラクチャーで捕捉する第３ステップとを備えたことを特徴とする、粒子分離方法。
【請求項１９】 粒子分離機構を用いて、溶液中に含まれる粒子を分離する粒子分離方法であって、上記粒子分離機構に形成され主流路と当該主流路から分岐する複数の分岐流路とを含む流路に、上記粒子を含む上記溶液を流す第１ステップと、上記流路の分離部近傍において、上記分岐流路の各々について当該分岐流路の両側面の各々を所望の電気的或いは磁気的なポテンシャルに設定する第２ステップと、上記第２ステップの電位設定によって形成される電界或いは磁界により、上記流路を流れる上記溶液中の上記粒子を、上記分岐流路のいずれか一つに寄せ、その分岐流路を流れるようにする第３ステップと、を備えたことを特徴とする、粒子分離方法。
【図１】
【図３】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図３】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００２−２３３７９２（Ｐ２００２−２３３７９２Ａ）
【公開日】平成１４年８月２０日（２００２．８．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００１−３０５２３１（Ｐ２００１−３０５２３１）
【出願日】平成１３年１０月１日（２００１．１０．１）
【出願人】（０００００６０７９）ミノルタ株式会社 (155)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１４年８月２０日（２００２．８．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１３年１０月１日（２００１．１０．１）
【出願人】（０００００６０７９）ミノルタ株式会社 (155)
【Ｆターム（参考）】
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