自動溶液注入デバイス
【課題】 マイクロポンプの自律的動作を可能とした自動溶液注入デバイスを提供する。
【解決手段】 被送液溶液を収容する被送液溶液注入区画と、被送液溶液注入区画との境界に位置するダイヤフラムと、ダイヤフラムにほぼ接する位置に固定された触媒物質とを有し、ガス発生溶液が外部から導入されるガス発生溶液注入区画とを有するマイクロポンプ部を備え、マイクロポンプ部は、ガス発生溶液注入区画に導入されたガス発生溶液が触媒物質に接触することにより生ずる気体が、ダイヤフラムを押圧して被送液溶液注入区画の容積を圧縮し、被送液溶液を押し出し送液を行う。
【解決手段】 被送液溶液を収容する被送液溶液注入区画と、被送液溶液注入区画との境界に位置するダイヤフラムと、ダイヤフラムにほぼ接する位置に固定された触媒物質とを有し、ガス発生溶液が外部から導入されるガス発生溶液注入区画とを有するマイクロポンプ部を備え、マイクロポンプ部は、ガス発生溶液注入区画に導入されたガス発生溶液が触媒物質に接触することにより生ずる気体が、ダイヤフラムを押圧して被送液溶液注入区画の容積を圧縮し、被送液溶液を押し出し送液を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小なチップ上で化学分析を行う微小化学分析システムにおいて、自動的に溶液注入を行うデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代の微小化学分析システム(μTAS)に求められる重要な機能の一つは自律的動作である。自律的動作を実現するに際し、送液制御は最も重要な課題である。あらかじめ微小なチップ上にプログラムが書きこまれ、外部から何も電気信号を与えなくても自発的に決められた手順にしたがって送液制御を行うことができれば、駆動装置側の負担が軽くなる。
【０００３】
微小なチップにおいて、送液制御を実現する技術としては、μTASにおいて外部からの電気信号により駆動する圧電素子を用いたマイクロポンプにより送液制御を行う機構がある（例えば、特許文献１参照）。また、圧電素子を用いない手段としては、マイクロ流体デバイスにおいて、光応答性ガス発生樹脂に光を照射することにより発生するガスの圧力により駆動するマイクロポンプがある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２３８１６８号公報
【特許文献２】特開２００８−２１６１９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術においては、圧電素子を駆動するための電気信号をプログラムにしたがって与える必要がある。特許文献２の技術においても、光応答性ガス発生樹脂に光を照射する必要があるため、やはり、光源を駆動するための電気信号をプログラムにしたがって与える必要がある。したがって、特許文献１及び特許文献２の技術を用いてμTASの自律的動作を実現することはできない。
【０００６】
本発明は以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、μTASの自律的動作を実現することにより、駆動装置側の負担を軽くすることを可能とした自動溶液注入デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の自動溶液注入デバイスは、被送液溶液を収容する被送液溶液注入区画と、被送液溶液注入区画との境界に位置するダイヤフラムと、ダイヤフラムにほぼ接する位置に固定された触媒物質とを有し、ガス発生溶液が外部から導入されるガス発生溶液注入区画とを有するマイクロポンプ部を備え、マイクロポンプ部は、ガス発生溶液注入区画に導入されたガス発生溶液が触媒物質に接触することにより生ずる気体が、ダイヤフラムを押圧して被送液溶液注入区画の容積を圧縮し、被送液溶液を押し出し送液を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の自動溶液注入デバイスによれば、微小流路内を進行する過酸化水素溶液の到着のタイミングにより自動的にポンプが作動するため、外部に回路やプログラムを用意する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態の自動溶液注入デバイスの全体構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態の自動溶液注入デバイスの分解斜視図である。
【図３】本発明の第１実施形態の自動溶液注入デバイスにおけるマイクロポンプ部を拡大した図である。
【図４】本発明の第２実施形態の自動溶液注入デバイスの全体構成を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態の自動溶液注入デバイスの実験結果を示す図である。
【図６】本発明の第３実施形態の自動溶液注入デバイスの全体構成を示す図である。
【図７】本発明の第３実施形態の自動溶液注入デバイスの第１のＰＤＭＳ基板及び第２のＰＤＭＳ基板の構成を示す図である。
【図８】本発明の第３実施形態の自動溶液注入デバイスの実験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の自動溶液注入デバイスの全体構成を示す図である。図１（ａ）は、本実施形態の自動溶液注入デバイスの正面図であり、図１（ｂ）は、本実施形態の自動溶液注入デバイスの側面図である。図１に示すように、本実施形態の自動溶液注入デバイス１は、PDMS基板２枚とガラス基板を積層して作製される。
【００１１】
図に示すように、本実施形態の自動溶液注入デバイス１は、ガラス基板１００と、第１のPoly(Dimethylsiloxane）(ＰＤＭＳ)基板２００と、ダイヤフラム３００と、第２のＰＤＭＳ基板４００と、アクリル板５００とがこの順番に積層して構成される。本実施形態の自動溶液注入デバイス１の概略の外形サイズは、10mm×14mm程度である。
【００１２】
図２は、本実施形態の自動溶液注入デバイスの分解斜視図である。図３は、本実施形態の微小参照電極デバイス１における図１中のマイクロポンプ部Ａを拡大した図及びその概略断面図である。
【００１３】
図２及び図３に示すように、本実施形態の自動溶液注入デバイスは、２枚のＰＤＭＳ基板のうち、上段には各種試薬溶液、下段には過酸化水素溶液を送液するための流路が形成される。それぞれの基板の流路にマイクロポンプ部が接続する。マイクロポンプ部は被送液溶液と二酸化マンガンを固定したゲルをダイヤフラムを介して配置することで構成される。
【００１４】
本実施形態のガラス基板１００は平板状の部材であり、自動溶液注入デバイス１の底部の部材となる。
【００１５】
本実施形態の第１のＰＤＭＳ基板２００は、過酸化水素溶液注入区画２０１と、触媒固定ゲル２０２と、二酸化マンガン（触媒）粒子２０３と、過酸化水素溶液送液用微小流路２０４と、過酸化水素溶液供給区画２０５と、過酸化水素溶液送液用微小液絡路２０６と、空気抜き用流路２０７とを含んで構成される。
【００１６】
過酸化水素溶液注入区画２０１は、第１のＰＤＭＳ基板２００を貫通する円形断面の穴である。過酸化水素溶液注入区画２０１内のダイヤフラム３００側には、二酸化マンガン粒子２０３が触媒固定ゲル２０２により固定されている。また、過酸化水素溶液注入区画２０１内のガラス基板１００側に過酸化水素溶液が流入可能な所定の空間が確保できるように、触媒固定ゲル２０２が配置される。触媒固定ゲル２０２には、例えば、光硬化性のＰＶＡ-ＳｂＱゲルを用いることができる。
【００１７】
過酸化水素溶液送液用微小流路２０４は、過酸化水素溶液供給区画２０５と、過酸化水素溶液注入区画２０１とを接続する微小流路である。また、過酸化水素溶液送液用微小流路２０４は、過酸化水素溶液送液用微小液絡路２０６を介して過酸化水素溶液注入区画２０１に接続する。
【００１８】
過酸化水素溶液送液用微小流路２０４の幅は、毛細管現象が発現する程度の幅であり、本実施形態では約５００μｍである。また、過酸化水素溶液送液用微小液絡路２０６の幅は、毛細管現象が発現する程度の幅であればよく、本実施形態では約３００μｍである
【００１９】
過酸化水素溶液供給区画２０５は、第１のＰＤＭＳ基板２００を貫通する円形断面の穴である。
【００２０】
空気抜き用流路２０７は、過酸化水素溶液注入区画２０１から外部へ連絡する空気抜き穴である。過酸化水素溶液注入区画２０１内部の空気が空気抜き用流路２０７から排出されることにより、過酸化水素溶液は過酸化水素溶液注入区画２０１内に滑らかに導入される。
【００２１】
本実施形態のダイヤフラム３００は、第１のＰＤＭＳ基板２００と第２のＰＤＭＳ基板４００の間に配置され、特に、第１のＰＤＭＳ基板２００の過酸化水素溶液注入区画２０１と、後述する第２のＰＤＭＳ基板４００の被送液溶液注入区画４０１との間に配置され、両区画を区分する。
【００２２】
本実施形態のダイヤフラム３００には、例えば、シリコーンフィルムを用いることができる。
【００２３】
本実施形態の第２のＰＤＭＳ基板４００は、被送液溶液注入区画４０１と、被送液溶液用微小流路４０２と、注入口４０３と、被送液溶液用微小液絡路４０４とを含んで構成される。
【００２４】
被送液溶液注入区画４０１は、第２のＰＤＭＳ基板４００を半貫通する円形断面の穴である。被送液溶液注入区画４０１は、ダイヤフラム３００に積層する側が開口となっており、アクリル板５００に接する側には注入口４０３が設けられる。
【００２５】
被送液溶液用微小流路４０２は、被送液溶液用微小液絡路４０４を介して被送液溶液注入区画４０１に接続し、また、図１に示すように、被送液溶液の吐出口４０２ａが自動溶液注入デバイス１の側面に形成される。
【００２６】
被送液溶液用微小流路４０２の幅は、約５００μｍである。また、被送液溶液用微小液絡路４０４の幅は、約３００μｍである。
【００２７】
本実施形態のアクリル板５００は、第２のＰＤＭＳ基板４００上に配置され、特に、第２のＰＤＭＳ基板４００の注入口４０３上部に配置される。
【００２８】
ここで、図１のＡ部に示す、被送液溶液注入区画４０１、ダイヤフラム３００、過酸化水素溶液注入区画２０１、二酸化マンガン粒子２０３、及び、触媒固定ゲル２０２からなる箇所を、マイクロポンプ部Ａとする。
【００２９】
次に、本実施形態のマイクロポンプ部の動作について説明をする。本実施形態のマイクロポンプ部の動作原理は非常にシンプルである。本実施形態の自動溶液注入デバイスは、過酸化水素から酸素気泡を生じる触媒反応を利用し、このとき過酸化水素溶液注入区画２０１に生じる体積変化をポンプ駆動力とするものである。
【００３０】
まず、被送液溶液注入区画４０１に被送液溶液を満たし、図３（ｂ）に示すようにアクリル板５００で封をする。次に、過酸化水素溶液供給区画２０５から過酸化水素溶液送液用微小流路２０４に過酸化水素溶液を導入すると、毛細管現象により溶液は流路中を自発的に送液され、過酸化水素溶液注入区画２０１内に浸入する。
【００３１】
図３（ｄ）に示すように、過酸化水素溶液が図中のＢ方向に送液され、過酸化水素溶液注入区画２０１内に過酸化水素溶液が供給されると、触媒固定ゲル２０２に固定された二酸化マンガン粒子２０３と過酸化水素溶液が接触し酸素が発生する。発生した酸素は泡（Bubbles）となり、ダイヤフラム３００を押し上げる。
【００３２】
ダイヤフラム３００が押し上げられることにより、被送液溶液注入区画４０１の体積が減少し、被送液溶液注入区画４０１に注入された被送液溶液（Solution）は、図中のＡ方向に押し出され、被送液溶液用微小流路４０２に押し出される。
【００３３】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態の自動溶液注入デバイスの全体構成を示す図である。図に示すように、本実施形態の自動溶液注入デバイスは、マイクロポンプを複数備える点で、第１実施形態の自動溶液注入デバイスとは相違がある。以下、第１実施形態の自動溶液注入デバイスと相違する構造部分について主に説明する。
【００３４】
図に示すように、複数のマイクロポンプＡ１〜Ａ３は過酸化水素溶液送液用微小流路２０４に各々結合している。図では、過酸化水素溶液供給区画２０５とマイクロポンプＡ１との距離をｌ1とし、過酸化水素溶液供給区画２０５とマイクロポンプＡ2との距離をｌ2とし、過酸化水素溶液供給区画２０５とマイクロポンプＡ3との距離をｌ3とする。
【００３５】
そして、過酸化水素溶液供給区画２０５からの距離が短い順に各マイクロポンプＡ１〜Ａ３は動作し、各マイクロポンプＡ１〜Ａ３内の被送液溶液は、過酸化水素溶液の到達した順に、順次マイクロポンプＡ１〜Ａ３から排出される。
【００３６】
過酸化水素溶液送液用微小流路２０４とマイクロポンプＡ１〜Ａ３を適当な位置に配置することで、それぞれのマイクロポンプから被送液溶液が排出されるタイミングを自由にプログラムし制御できる。
【００３７】
また、マイクロポンプの駆動のタイミングは流路形状、ぬれ性や、流路の材質や、断面寸法により適宜制御することが可能である。
【００３８】
また、過酸化水素溶液送液用微小流路２０４および過酸化水素溶液注入区画２０１内への過酸化水素溶液の送液速度を調節するため、過酸化水素溶液には界面活性剤(Triton X-100)を添加してもよい。界面活性剤(Triton X-100)を添加することにより高速なスイッチングを行うことができる。
【００３９】
このような方法により、マイクロポンプ駆動のタイミングはあらかじめプログラミング情報として自動溶液注入デバイス構造上に書き込むことが可能である。
【００４０】
なお、本実施形態では複数のマイクロポンプＡ１〜Ａ３を直線状に配列したが、これに限られるものではなく、必要に応じて円弧状に配列してもよい。また、図４と同様の自動溶液注入デバイスを並列的に複数配置すれば、より複雑な溶液操作を行うこともできる。
【００４１】
図５は、本発明の第２実施形態の自動溶液注入デバイスの実験結果を示す図である。
【００４２】
プログラミング用流路に過酸化水素溶液を導入すると、溶液は自発的に流路中を進行し、各マイクロポンプ部の区画を満たした。そして、図５（ａ）に示すようにマイクロポンプ部では、ダイヤフラムの膨張と液溜め中の溶液の排出が認められた。プログラミング用流路の過酸化水素溶液は、一定時間後に次のポンプの区画を満たし、図５（ｂ）に示すように、同様の変化が認められた。
【００４３】
図５（ｃ）は、３つのポンプを並列的に並べ、それぞれのポンプから流路に順次溶液が排出される様子を示す。図５（ｄ）に示すように、溶液排出量が図中左側ほど大きいのは、過酸化水素溶液のポンプ部への到達時間の差を反映しており、位置関係で送液のタイミングをプログラミングできることが示された。なお、変化を起こすタイミングは流路の材質や断面寸法により調節できる。また、過酸化水素溶液中に界面活性剤を添加すると、送液速度が増大し、より高速なスイッチングを行うことができる。
【００４４】
（第３実施形態）
上記実施形態では、マイクロポンプで被送液溶液を押し出すことを行ったが、被送液溶液注入区画に被送液溶液を満たさず空気のみを満たしておき、他の流路内の溶液に圧力を及ぼすこともできる。図６はそのようなポンプを含むデバイスの例である。
【００４５】
図６は、本発明の第３実施形態の自動溶液注入デバイスの全体構成を示す図である。図に示すように、本実施形態の自動溶液注入デバイスは、外側に空気を満たした補助マイクロポンプＢ１、Ｂ２を備えるとともに、内側に被送液溶液を満たしたマイクロポンプＡ１、Ａ２を備える点で、他の実施形態の自動溶液注入デバイスとは相違がある。以下、他の実施形態の自動溶液注入デバイスと相違する構造部分について主に説明する。
【００４６】
図６（ａ）は、本実施形態の自動溶液注入デバイスの正面図であり、図６（ｂ）は、本実施形態の自動溶液注入デバイスの側面図である。
【００４７】
図に示すように、本実施形態の自動溶液注入デバイス１は、ガラス基板１００と、第１のＰＤＭＳ基板２００と、ダイヤフラム３００と、第２のＰＤＭＳ基板４００と、アクリル板５００とがこの順番に積層して構成される。
【００４８】
図７（ａ）は、本実施形態の第２のＰＤＭＳ基板４００の正面図である。
【００４９】
本実施形態の第２のＰＤＭＳ基板４００は、第１の被送液溶液注入区画４０１ａと、第２の被送液溶液注入区画４０１ｂと、被送液溶液合流用微小流路４０２と、第１の注入口４０３ａと、第２の注入口４０３ｂと、第１の被送液溶液用微小液絡路４０４ａと、第２の被送液溶液用微小液絡路４０４ｂと、第１の気室区画４０５ａと、第２の気室区画４０５ｂと、被送液溶液用微小流路４０６と、を含んで構成される。
【００５０】
第１の被送液溶液注入区画４０１ａ及び第２の被送液溶液注入区画４０１ｂは、第２のＰＤＭＳ基板４００を半貫通する円形断面の穴である。第１の被送液溶液注入区画４０１ａ及び第２の被送液溶液注入区画４０１ｂは、ダイヤフラム３００に積層する側が開口となっており、アクリル板５００に接する側には第１の注入口４０３ａ及び第２の注入口４０３ｂがそれぞれ設けられる。
【００５１】
被送液溶液合流用微小流路４０２は、第１の被送液溶液用微小液絡路４０４ａ及び第２の被送液溶液用微小液絡路４０４ｂを介して、各々第１の被送液溶液注入区画４０１ａ及び第２の被送液溶液注入区画４０１ｂに接続する。
【００５２】
第１の気室区画４０５ａ及び第２の気室区画４０５ｂは、第２のＰＤＭＳ基板４００を半貫通する円形断面の穴であり、ダイヤフラム３００に積層する側が開口となっている。第１の気室区画４０５ａ及び第２の気室区画４０５ｂは、被送液溶液合流用微小流路４０２の両端部にそれぞれ接続する。
【００５３】
被送液溶液用微小流路４０６の一端は、被送液溶液合流用微小流路４０２の、第１の被送液溶液用微小液絡路４０４ａ及び第２の被送液溶液用微小液絡路４０４ｂの接続箇所の中間に接続し、他端は自動溶液注入デバイス３の側面で終端をなす。
【００５４】
図７（ｂ）は、本実施形態の第１のＰＤＭＳ基板２００の正面図である。
【００５５】
本実施形態の第１のＰＤＭＳ基板２００は、第１の過酸化水素溶液注入区画２０１ａと、第２の過酸化水素溶液注入区画２０１ｂと、過酸化水素溶液送液用微小流路２０４と、過酸化水素溶液供給区画２０５と、第１の過酸化水素溶液送液用微小液絡路２０６ａと、第２の過酸化水素溶液送液用微小液絡路２０６ｂと、過酸化水素溶液用微小液絡路２０６ｃと、空気抜き用流路２０７ａ、２０７ｂと、第３の過酸化水素溶液注入区画２０８ａと、第４の過酸化水素溶液注入区画２０８ｂと、空気抜き用流路２０９ａ、２０９ｂとを含んで構成される。
【００５６】
第１の過酸化水素溶液注入区画２０１ａ及び第２の過酸化水素溶液注入区画２０１ｂは、第１のＰＤＭＳ基板２００を貫通する円形断面の穴である。第１の過酸化水素溶液注入区画２０１ａと、第２の過酸化水素溶液注入区画２０１ｂ内のダイヤフラム３００側には、他の実施形態と同様に二酸化マンガン粒子が触媒固定ゲル（不図示）により固定されている。
【００５７】
過酸化水素溶液送液用微小流路２０４は、第１の過酸化水素溶液送液用微小液絡路２０６ａと、第２の過酸化水素溶液送液用微小液絡路２０６ｂをそれぞれ介して、第１の過酸化水素溶液注入区画２０１ａ及び第２の過酸化水素溶液注入区画２０１ｂに接続する。
【００５８】
過酸化水素溶液供給区画２０５は、第１のＰＤＭＳ基板２００を貫通する円形断面の穴である。過酸化水素溶液供給区画２０５は、過酸化水素溶液用微小液絡路２０６ｃを介して、過酸化水素溶液送液用微小流路２０４の、第１の過酸化水素溶液送液用微小液絡路２０６ａ及び第２の過酸化水素溶液送液用微小液絡路２０６ｂの接続箇所の中間に接続する。
【００５９】
第３の過酸化水素溶液注入区画２０８ａ及び第４の過酸化水素溶液注入区画２０８ｂは、第１のＰＤＭＳ基板２００を貫通する円形断面の穴である。第３の過酸化水素溶液注入区画２０８ａ及び第４の過酸化水素溶液注入区画２０８ｂ内のダイヤフラム３００側には、第１の過酸化水素溶液注入区画２０１ａ及び第２の過酸化水素溶液注入区画２０１ｂと同様に二酸化マンガン粒子が触媒固定ゲル（不図示）により固定されている。
【００６０】
また、第３の過酸化水素溶液注入区画２０８ａ及び第４の過酸化水素溶液注入区画２０８ｂは、過酸化水素溶液送液用微小流路２０４の両端部にそれぞれ接続する。
【００６１】
空気抜き用流路２０７ａ、２０７ｂ、２０９ａ、２０９ｂは、各過酸化水素溶液注入区画から外部へ連絡する空気抜き穴である。
【００６２】
本実施形態のダイヤフラム３００は、第１のＰＤＭＳ基板２００と第２のＰＤＭＳ基板４００の間に配置され、特に、第１の被送液溶液注入区画４０１ａ及び第１の過酸化水素溶液注入区画２０１ａとの間、第２の被送液溶液注入区画４０１ｂ及び第２の過酸化水素溶液注入区画２０１ｂとの間、第１の気室区画４０５ａ及び第３の過酸化水素溶液注入区画２０８ａとの間、および、第２の気室区画４０５ｂ及び第４の過酸化水素溶液注入区画２０８ｂとの間に配置され、両区画を区分する。
【００６３】
ここで、図６のＡ１部に示す箇所をマイクロポンプ部Ａ１とし、Ａ２部に示す箇所をマイクロポンプ部Ａ２とし、Ｂ１部に示す箇所を補助マイクロポンプ部Ｂ１とし、Ｂ２部に示す箇所を補助マイクロポンプ部Ｂ２とする。
【００６４】
次に、本実施形態のマイクロポンプ部の動作について説明をする。図８は、本発明の第３実施形態の自動溶液注入デバイスの実験結果を示す図である。
【００６５】
まず、過酸化水素溶液を過酸化水素溶液供給区画２０５に注入する。すると、過酸化水素溶液は、過酸化水素溶液送液用微小流路２０４を介して、第１の過酸化水素溶液注入区画２０１ａ及び第２の過酸化水素溶液注入区画２０１ｂに流入する（図８（ａ））。
【００６６】
マイクロポンプＡ１及びＡ２が動作し、各マイクロポンプ内の被送液溶液が被送液溶液合流用微小流路４０２へ押し出される（図８（ｂ））。
【００６７】
次に、過酸化水素溶液は、過酸化水素溶液送液用微小流路２０４を介して、第３の過酸化水素溶液注入区画２０８ａ及び第４の過酸化水素溶液注入区画２０８ｂに流入する。すると、補助マイクロポンプＢ１及びＢ２が動作し、被送液溶液合流用微小流路４０２へ補助マイクロポンプＢ１及びＢ２内の空気を押し出す（図８（ｃ））。
【００６８】
被送液溶液合流用微小流路４０２へ押し出された被送液溶液は、補助マイクロポンプＢ１及びＢ２内から押し出された空気により、両端から加圧され、被送液溶液合流用微小流路４０２の中央部で２液の混合が促進され、混合液は、被送液溶液用微小流路４０６を介してデバイスの外部に吐出される（図８（ｄ））。
【００６９】
なお、上記各実施形態では、ガスを発生させる手段として、過酸化水素と二酸化マンガンを例としてあげたが、これに限られず、他の液体及び触媒の組み合わせも可能である。
【００７０】
例えば、カタラーゼによる酵素反応では過酸化水素が基質となって酸素が発生する。したがって、二酸化マンガンの代わりにこれをゲル中に固定すれば、同様の動作が実現できる。また、炭酸水素イオンを含む溶液からは、低pHで二酸化炭素が発生する。したがって、ゲル２０１中に二酸化マンガン粒子２０３を固定せず、ここに塩酸等の酸をしみ込ませておき、過酸化水素の代わりに炭酸水素ナトリウム溶液を流し込み、過酸化水素と二酸化マンガンを用いた時と同様の変化を起こすことができる。同様の変化はアンモニウムイオンを含む溶液のpHを塩基溶液により上昇させることにより起こすこともできる。
【００７１】
さらに、酸化還元酵素による酵素反応では、過酸化水素が生成する。例えば、グルコースは酵素グルコースオキシダーゼにより酸化され、この際過酸化水素が生成する。この化学反応式は次の通りである。
【００７２】
グルコース ＋ 酸素 → グルコノラクトン ＋ 過酸化水素
【００７３】
したがって、ゲル２０１中に二酸化マンガン粒子２０３の代わりに酵素を固定し、過酸化水素の代わりにグルコース溶液を流せば、過酸化水素と二酸化マンガンを用いた時と同様の変化を起こすことができる。
【００７４】
以上説明したように、本発明の各実施形態による自動溶液注入デバイスによれば、微小流路内を進行する過酸化水素溶液の到着のタイミングにより順次自動的にポンプが作動するため、外部に回路やプログラムを用意する必要がない。
【符号の説明】
【００７５】
１：自動溶液注入デバイス
１００：ガラス基板
２００：第１のPoly(dimethylsiloxane）(ＰＤＭＳ)基板
２０１：過酸化水素溶液注入区画
２０２：触媒固定ゲル
２０３：二酸化マンガン（触媒）粒子
２０４：過酸化水素溶液送液用微小流路
２０５：過酸化水素溶液供給区画
２０６：過酸化水素溶液送液用微小液絡路
２０７：空気抜き用流路
３００：ダイヤフラム
４００：第２のＰＤＭＳ基板
４０１：被送液溶液注入区画
４０２：被送液溶液用微小流路
４０３：注入口
４０４：被送液溶液用微小液絡路
５００：アクリル板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小なチップ上で化学分析を行う微小化学分析システムにおいて、自動的に溶液注入を行うデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代の微小化学分析システム(μTAS)に求められる重要な機能の一つは自律的動作である。自律的動作を実現するに際し、送液制御は最も重要な課題である。あらかじめ微小なチップ上にプログラムが書きこまれ、外部から何も電気信号を与えなくても自発的に決められた手順にしたがって送液制御を行うことができれば、駆動装置側の負担が軽くなる。
【０００３】
微小なチップにおいて、送液制御を実現する技術としては、μTASにおいて外部からの電気信号により駆動する圧電素子を用いたマイクロポンプにより送液制御を行う機構がある（例えば、特許文献１参照）。また、圧電素子を用いない手段としては、マイクロ流体デバイスにおいて、光応答性ガス発生樹脂に光を照射することにより発生するガスの圧力により駆動するマイクロポンプがある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２３８１６８号公報
【特許文献２】特開２００８−２１６１９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術においては、圧電素子を駆動するための電気信号をプログラムにしたがって与える必要がある。特許文献２の技術においても、光応答性ガス発生樹脂に光を照射する必要があるため、やはり、光源を駆動するための電気信号をプログラムにしたがって与える必要がある。したがって、特許文献１及び特許文献２の技術を用いてμTASの自律的動作を実現することはできない。
【０００６】
本発明は以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、μTASの自律的動作を実現することにより、駆動装置側の負担を軽くすることを可能とした自動溶液注入デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の自動溶液注入デバイスは、被送液溶液を収容する被送液溶液注入区画と、被送液溶液注入区画との境界に位置するダイヤフラムと、ダイヤフラムにほぼ接する位置に固定された触媒物質とを有し、ガス発生溶液が外部から導入されるガス発生溶液注入区画とを有するマイクロポンプ部を備え、マイクロポンプ部は、ガス発生溶液注入区画に導入されたガス発生溶液が触媒物質に接触することにより生ずる気体が、ダイヤフラムを押圧して被送液溶液注入区画の容積を圧縮し、被送液溶液を押し出し送液を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の自動溶液注入デバイスによれば、微小流路内を進行する過酸化水素溶液の到着のタイミングにより自動的にポンプが作動するため、外部に回路やプログラムを用意する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態の自動溶液注入デバイスの全体構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態の自動溶液注入デバイスの分解斜視図である。
【図３】本発明の第１実施形態の自動溶液注入デバイスにおけるマイクロポンプ部を拡大した図である。
【図４】本発明の第２実施形態の自動溶液注入デバイスの全体構成を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態の自動溶液注入デバイスの実験結果を示す図である。
【図６】本発明の第３実施形態の自動溶液注入デバイスの全体構成を示す図である。
【図７】本発明の第３実施形態の自動溶液注入デバイスの第１のＰＤＭＳ基板及び第２のＰＤＭＳ基板の構成を示す図である。
【図８】本発明の第３実施形態の自動溶液注入デバイスの実験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の自動溶液注入デバイスの全体構成を示す図である。図１（ａ）は、本実施形態の自動溶液注入デバイスの正面図であり、図１（ｂ）は、本実施形態の自動溶液注入デバイスの側面図である。図１に示すように、本実施形態の自動溶液注入デバイス１は、PDMS基板２枚とガラス基板を積層して作製される。
【００１１】
図に示すように、本実施形態の自動溶液注入デバイス１は、ガラス基板１００と、第１のPoly(Dimethylsiloxane）(ＰＤＭＳ)基板２００と、ダイヤフラム３００と、第２のＰＤＭＳ基板４００と、アクリル板５００とがこの順番に積層して構成される。本実施形態の自動溶液注入デバイス１の概略の外形サイズは、10mm×14mm程度である。
【００１２】
図２は、本実施形態の自動溶液注入デバイスの分解斜視図である。図３は、本実施形態の微小参照電極デバイス１における図１中のマイクロポンプ部Ａを拡大した図及びその概略断面図である。
【００１３】
図２及び図３に示すように、本実施形態の自動溶液注入デバイスは、２枚のＰＤＭＳ基板のうち、上段には各種試薬溶液、下段には過酸化水素溶液を送液するための流路が形成される。それぞれの基板の流路にマイクロポンプ部が接続する。マイクロポンプ部は被送液溶液と二酸化マンガンを固定したゲルをダイヤフラムを介して配置することで構成される。
【００１４】
本実施形態のガラス基板１００は平板状の部材であり、自動溶液注入デバイス１の底部の部材となる。
【００１５】
本実施形態の第１のＰＤＭＳ基板２００は、過酸化水素溶液注入区画２０１と、触媒固定ゲル２０２と、二酸化マンガン（触媒）粒子２０３と、過酸化水素溶液送液用微小流路２０４と、過酸化水素溶液供給区画２０５と、過酸化水素溶液送液用微小液絡路２０６と、空気抜き用流路２０７とを含んで構成される。
【００１６】
過酸化水素溶液注入区画２０１は、第１のＰＤＭＳ基板２００を貫通する円形断面の穴である。過酸化水素溶液注入区画２０１内のダイヤフラム３００側には、二酸化マンガン粒子２０３が触媒固定ゲル２０２により固定されている。また、過酸化水素溶液注入区画２０１内のガラス基板１００側に過酸化水素溶液が流入可能な所定の空間が確保できるように、触媒固定ゲル２０２が配置される。触媒固定ゲル２０２には、例えば、光硬化性のＰＶＡ-ＳｂＱゲルを用いることができる。
【００１７】
過酸化水素溶液送液用微小流路２０４は、過酸化水素溶液供給区画２０５と、過酸化水素溶液注入区画２０１とを接続する微小流路である。また、過酸化水素溶液送液用微小流路２０４は、過酸化水素溶液送液用微小液絡路２０６を介して過酸化水素溶液注入区画２０１に接続する。
【００１８】
過酸化水素溶液送液用微小流路２０４の幅は、毛細管現象が発現する程度の幅であり、本実施形態では約５００μｍである。また、過酸化水素溶液送液用微小液絡路２０６の幅は、毛細管現象が発現する程度の幅であればよく、本実施形態では約３００μｍである
【００１９】
過酸化水素溶液供給区画２０５は、第１のＰＤＭＳ基板２００を貫通する円形断面の穴である。
【００２０】
空気抜き用流路２０７は、過酸化水素溶液注入区画２０１から外部へ連絡する空気抜き穴である。過酸化水素溶液注入区画２０１内部の空気が空気抜き用流路２０７から排出されることにより、過酸化水素溶液は過酸化水素溶液注入区画２０１内に滑らかに導入される。
【００２１】
本実施形態のダイヤフラム３００は、第１のＰＤＭＳ基板２００と第２のＰＤＭＳ基板４００の間に配置され、特に、第１のＰＤＭＳ基板２００の過酸化水素溶液注入区画２０１と、後述する第２のＰＤＭＳ基板４００の被送液溶液注入区画４０１との間に配置され、両区画を区分する。
【００２２】
本実施形態のダイヤフラム３００には、例えば、シリコーンフィルムを用いることができる。
【００２３】
本実施形態の第２のＰＤＭＳ基板４００は、被送液溶液注入区画４０１と、被送液溶液用微小流路４０２と、注入口４０３と、被送液溶液用微小液絡路４０４とを含んで構成される。
【００２４】
被送液溶液注入区画４０１は、第２のＰＤＭＳ基板４００を半貫通する円形断面の穴である。被送液溶液注入区画４０１は、ダイヤフラム３００に積層する側が開口となっており、アクリル板５００に接する側には注入口４０３が設けられる。
【００２５】
被送液溶液用微小流路４０２は、被送液溶液用微小液絡路４０４を介して被送液溶液注入区画４０１に接続し、また、図１に示すように、被送液溶液の吐出口４０２ａが自動溶液注入デバイス１の側面に形成される。
【００２６】
被送液溶液用微小流路４０２の幅は、約５００μｍである。また、被送液溶液用微小液絡路４０４の幅は、約３００μｍである。
【００２７】
本実施形態のアクリル板５００は、第２のＰＤＭＳ基板４００上に配置され、特に、第２のＰＤＭＳ基板４００の注入口４０３上部に配置される。
【００２８】
ここで、図１のＡ部に示す、被送液溶液注入区画４０１、ダイヤフラム３００、過酸化水素溶液注入区画２０１、二酸化マンガン粒子２０３、及び、触媒固定ゲル２０２からなる箇所を、マイクロポンプ部Ａとする。
【００２９】
次に、本実施形態のマイクロポンプ部の動作について説明をする。本実施形態のマイクロポンプ部の動作原理は非常にシンプルである。本実施形態の自動溶液注入デバイスは、過酸化水素から酸素気泡を生じる触媒反応を利用し、このとき過酸化水素溶液注入区画２０１に生じる体積変化をポンプ駆動力とするものである。
【００３０】
まず、被送液溶液注入区画４０１に被送液溶液を満たし、図３（ｂ）に示すようにアクリル板５００で封をする。次に、過酸化水素溶液供給区画２０５から過酸化水素溶液送液用微小流路２０４に過酸化水素溶液を導入すると、毛細管現象により溶液は流路中を自発的に送液され、過酸化水素溶液注入区画２０１内に浸入する。
【００３１】
図３（ｄ）に示すように、過酸化水素溶液が図中のＢ方向に送液され、過酸化水素溶液注入区画２０１内に過酸化水素溶液が供給されると、触媒固定ゲル２０２に固定された二酸化マンガン粒子２０３と過酸化水素溶液が接触し酸素が発生する。発生した酸素は泡（Bubbles）となり、ダイヤフラム３００を押し上げる。
【００３２】
ダイヤフラム３００が押し上げられることにより、被送液溶液注入区画４０１の体積が減少し、被送液溶液注入区画４０１に注入された被送液溶液（Solution）は、図中のＡ方向に押し出され、被送液溶液用微小流路４０２に押し出される。
【００３３】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態の自動溶液注入デバイスの全体構成を示す図である。図に示すように、本実施形態の自動溶液注入デバイスは、マイクロポンプを複数備える点で、第１実施形態の自動溶液注入デバイスとは相違がある。以下、第１実施形態の自動溶液注入デバイスと相違する構造部分について主に説明する。
【００３４】
図に示すように、複数のマイクロポンプＡ１〜Ａ３は過酸化水素溶液送液用微小流路２０４に各々結合している。図では、過酸化水素溶液供給区画２０５とマイクロポンプＡ１との距離をｌ1とし、過酸化水素溶液供給区画２０５とマイクロポンプＡ2との距離をｌ2とし、過酸化水素溶液供給区画２０５とマイクロポンプＡ3との距離をｌ3とする。
【００３５】
そして、過酸化水素溶液供給区画２０５からの距離が短い順に各マイクロポンプＡ１〜Ａ３は動作し、各マイクロポンプＡ１〜Ａ３内の被送液溶液は、過酸化水素溶液の到達した順に、順次マイクロポンプＡ１〜Ａ３から排出される。
【００３６】
過酸化水素溶液送液用微小流路２０４とマイクロポンプＡ１〜Ａ３を適当な位置に配置することで、それぞれのマイクロポンプから被送液溶液が排出されるタイミングを自由にプログラムし制御できる。
【００３７】
また、マイクロポンプの駆動のタイミングは流路形状、ぬれ性や、流路の材質や、断面寸法により適宜制御することが可能である。
【００３８】
また、過酸化水素溶液送液用微小流路２０４および過酸化水素溶液注入区画２０１内への過酸化水素溶液の送液速度を調節するため、過酸化水素溶液には界面活性剤(Triton X-100)を添加してもよい。界面活性剤(Triton X-100)を添加することにより高速なスイッチングを行うことができる。
【００３９】
このような方法により、マイクロポンプ駆動のタイミングはあらかじめプログラミング情報として自動溶液注入デバイス構造上に書き込むことが可能である。
【００４０】
なお、本実施形態では複数のマイクロポンプＡ１〜Ａ３を直線状に配列したが、これに限られるものではなく、必要に応じて円弧状に配列してもよい。また、図４と同様の自動溶液注入デバイスを並列的に複数配置すれば、より複雑な溶液操作を行うこともできる。
【００４１】
図５は、本発明の第２実施形態の自動溶液注入デバイスの実験結果を示す図である。
【００４２】
プログラミング用流路に過酸化水素溶液を導入すると、溶液は自発的に流路中を進行し、各マイクロポンプ部の区画を満たした。そして、図５（ａ）に示すようにマイクロポンプ部では、ダイヤフラムの膨張と液溜め中の溶液の排出が認められた。プログラミング用流路の過酸化水素溶液は、一定時間後に次のポンプの区画を満たし、図５（ｂ）に示すように、同様の変化が認められた。
【００４３】
図５（ｃ）は、３つのポンプを並列的に並べ、それぞれのポンプから流路に順次溶液が排出される様子を示す。図５（ｄ）に示すように、溶液排出量が図中左側ほど大きいのは、過酸化水素溶液のポンプ部への到達時間の差を反映しており、位置関係で送液のタイミングをプログラミングできることが示された。なお、変化を起こすタイミングは流路の材質や断面寸法により調節できる。また、過酸化水素溶液中に界面活性剤を添加すると、送液速度が増大し、より高速なスイッチングを行うことができる。
【００４４】
（第３実施形態）
上記実施形態では、マイクロポンプで被送液溶液を押し出すことを行ったが、被送液溶液注入区画に被送液溶液を満たさず空気のみを満たしておき、他の流路内の溶液に圧力を及ぼすこともできる。図６はそのようなポンプを含むデバイスの例である。
【００４５】
図６は、本発明の第３実施形態の自動溶液注入デバイスの全体構成を示す図である。図に示すように、本実施形態の自動溶液注入デバイスは、外側に空気を満たした補助マイクロポンプＢ１、Ｂ２を備えるとともに、内側に被送液溶液を満たしたマイクロポンプＡ１、Ａ２を備える点で、他の実施形態の自動溶液注入デバイスとは相違がある。以下、他の実施形態の自動溶液注入デバイスと相違する構造部分について主に説明する。
【００４６】
図６（ａ）は、本実施形態の自動溶液注入デバイスの正面図であり、図６（ｂ）は、本実施形態の自動溶液注入デバイスの側面図である。
【００４７】
図に示すように、本実施形態の自動溶液注入デバイス１は、ガラス基板１００と、第１のＰＤＭＳ基板２００と、ダイヤフラム３００と、第２のＰＤＭＳ基板４００と、アクリル板５００とがこの順番に積層して構成される。
【００４８】
図７（ａ）は、本実施形態の第２のＰＤＭＳ基板４００の正面図である。
【００４９】
本実施形態の第２のＰＤＭＳ基板４００は、第１の被送液溶液注入区画４０１ａと、第２の被送液溶液注入区画４０１ｂと、被送液溶液合流用微小流路４０２と、第１の注入口４０３ａと、第２の注入口４０３ｂと、第１の被送液溶液用微小液絡路４０４ａと、第２の被送液溶液用微小液絡路４０４ｂと、第１の気室区画４０５ａと、第２の気室区画４０５ｂと、被送液溶液用微小流路４０６と、を含んで構成される。
【００５０】
第１の被送液溶液注入区画４０１ａ及び第２の被送液溶液注入区画４０１ｂは、第２のＰＤＭＳ基板４００を半貫通する円形断面の穴である。第１の被送液溶液注入区画４０１ａ及び第２の被送液溶液注入区画４０１ｂは、ダイヤフラム３００に積層する側が開口となっており、アクリル板５００に接する側には第１の注入口４０３ａ及び第２の注入口４０３ｂがそれぞれ設けられる。
【００５１】
被送液溶液合流用微小流路４０２は、第１の被送液溶液用微小液絡路４０４ａ及び第２の被送液溶液用微小液絡路４０４ｂを介して、各々第１の被送液溶液注入区画４０１ａ及び第２の被送液溶液注入区画４０１ｂに接続する。
【００５２】
第１の気室区画４０５ａ及び第２の気室区画４０５ｂは、第２のＰＤＭＳ基板４００を半貫通する円形断面の穴であり、ダイヤフラム３００に積層する側が開口となっている。第１の気室区画４０５ａ及び第２の気室区画４０５ｂは、被送液溶液合流用微小流路４０２の両端部にそれぞれ接続する。
【００５３】
被送液溶液用微小流路４０６の一端は、被送液溶液合流用微小流路４０２の、第１の被送液溶液用微小液絡路４０４ａ及び第２の被送液溶液用微小液絡路４０４ｂの接続箇所の中間に接続し、他端は自動溶液注入デバイス３の側面で終端をなす。
【００５４】
図７（ｂ）は、本実施形態の第１のＰＤＭＳ基板２００の正面図である。
【００５５】
本実施形態の第１のＰＤＭＳ基板２００は、第１の過酸化水素溶液注入区画２０１ａと、第２の過酸化水素溶液注入区画２０１ｂと、過酸化水素溶液送液用微小流路２０４と、過酸化水素溶液供給区画２０５と、第１の過酸化水素溶液送液用微小液絡路２０６ａと、第２の過酸化水素溶液送液用微小液絡路２０６ｂと、過酸化水素溶液用微小液絡路２０６ｃと、空気抜き用流路２０７ａ、２０７ｂと、第３の過酸化水素溶液注入区画２０８ａと、第４の過酸化水素溶液注入区画２０８ｂと、空気抜き用流路２０９ａ、２０９ｂとを含んで構成される。
【００５６】
第１の過酸化水素溶液注入区画２０１ａ及び第２の過酸化水素溶液注入区画２０１ｂは、第１のＰＤＭＳ基板２００を貫通する円形断面の穴である。第１の過酸化水素溶液注入区画２０１ａと、第２の過酸化水素溶液注入区画２０１ｂ内のダイヤフラム３００側には、他の実施形態と同様に二酸化マンガン粒子が触媒固定ゲル（不図示）により固定されている。
【００５７】
過酸化水素溶液送液用微小流路２０４は、第１の過酸化水素溶液送液用微小液絡路２０６ａと、第２の過酸化水素溶液送液用微小液絡路２０６ｂをそれぞれ介して、第１の過酸化水素溶液注入区画２０１ａ及び第２の過酸化水素溶液注入区画２０１ｂに接続する。
【００５８】
過酸化水素溶液供給区画２０５は、第１のＰＤＭＳ基板２００を貫通する円形断面の穴である。過酸化水素溶液供給区画２０５は、過酸化水素溶液用微小液絡路２０６ｃを介して、過酸化水素溶液送液用微小流路２０４の、第１の過酸化水素溶液送液用微小液絡路２０６ａ及び第２の過酸化水素溶液送液用微小液絡路２０６ｂの接続箇所の中間に接続する。
【００５９】
第３の過酸化水素溶液注入区画２０８ａ及び第４の過酸化水素溶液注入区画２０８ｂは、第１のＰＤＭＳ基板２００を貫通する円形断面の穴である。第３の過酸化水素溶液注入区画２０８ａ及び第４の過酸化水素溶液注入区画２０８ｂ内のダイヤフラム３００側には、第１の過酸化水素溶液注入区画２０１ａ及び第２の過酸化水素溶液注入区画２０１ｂと同様に二酸化マンガン粒子が触媒固定ゲル（不図示）により固定されている。
【００６０】
また、第３の過酸化水素溶液注入区画２０８ａ及び第４の過酸化水素溶液注入区画２０８ｂは、過酸化水素溶液送液用微小流路２０４の両端部にそれぞれ接続する。
【００６１】
空気抜き用流路２０７ａ、２０７ｂ、２０９ａ、２０９ｂは、各過酸化水素溶液注入区画から外部へ連絡する空気抜き穴である。
【００６２】
本実施形態のダイヤフラム３００は、第１のＰＤＭＳ基板２００と第２のＰＤＭＳ基板４００の間に配置され、特に、第１の被送液溶液注入区画４０１ａ及び第１の過酸化水素溶液注入区画２０１ａとの間、第２の被送液溶液注入区画４０１ｂ及び第２の過酸化水素溶液注入区画２０１ｂとの間、第１の気室区画４０５ａ及び第３の過酸化水素溶液注入区画２０８ａとの間、および、第２の気室区画４０５ｂ及び第４の過酸化水素溶液注入区画２０８ｂとの間に配置され、両区画を区分する。
【００６３】
ここで、図６のＡ１部に示す箇所をマイクロポンプ部Ａ１とし、Ａ２部に示す箇所をマイクロポンプ部Ａ２とし、Ｂ１部に示す箇所を補助マイクロポンプ部Ｂ１とし、Ｂ２部に示す箇所を補助マイクロポンプ部Ｂ２とする。
【００６４】
次に、本実施形態のマイクロポンプ部の動作について説明をする。図８は、本発明の第３実施形態の自動溶液注入デバイスの実験結果を示す図である。
【００６５】
まず、過酸化水素溶液を過酸化水素溶液供給区画２０５に注入する。すると、過酸化水素溶液は、過酸化水素溶液送液用微小流路２０４を介して、第１の過酸化水素溶液注入区画２０１ａ及び第２の過酸化水素溶液注入区画２０１ｂに流入する（図８（ａ））。
【００６６】
マイクロポンプＡ１及びＡ２が動作し、各マイクロポンプ内の被送液溶液が被送液溶液合流用微小流路４０２へ押し出される（図８（ｂ））。
【００６７】
次に、過酸化水素溶液は、過酸化水素溶液送液用微小流路２０４を介して、第３の過酸化水素溶液注入区画２０８ａ及び第４の過酸化水素溶液注入区画２０８ｂに流入する。すると、補助マイクロポンプＢ１及びＢ２が動作し、被送液溶液合流用微小流路４０２へ補助マイクロポンプＢ１及びＢ２内の空気を押し出す（図８（ｃ））。
【００６８】
被送液溶液合流用微小流路４０２へ押し出された被送液溶液は、補助マイクロポンプＢ１及びＢ２内から押し出された空気により、両端から加圧され、被送液溶液合流用微小流路４０２の中央部で２液の混合が促進され、混合液は、被送液溶液用微小流路４０６を介してデバイスの外部に吐出される（図８（ｄ））。
【００６９】
なお、上記各実施形態では、ガスを発生させる手段として、過酸化水素と二酸化マンガンを例としてあげたが、これに限られず、他の液体及び触媒の組み合わせも可能である。
【００７０】
例えば、カタラーゼによる酵素反応では過酸化水素が基質となって酸素が発生する。したがって、二酸化マンガンの代わりにこれをゲル中に固定すれば、同様の動作が実現できる。また、炭酸水素イオンを含む溶液からは、低pHで二酸化炭素が発生する。したがって、ゲル２０１中に二酸化マンガン粒子２０３を固定せず、ここに塩酸等の酸をしみ込ませておき、過酸化水素の代わりに炭酸水素ナトリウム溶液を流し込み、過酸化水素と二酸化マンガンを用いた時と同様の変化を起こすことができる。同様の変化はアンモニウムイオンを含む溶液のpHを塩基溶液により上昇させることにより起こすこともできる。
【００７１】
さらに、酸化還元酵素による酵素反応では、過酸化水素が生成する。例えば、グルコースは酵素グルコースオキシダーゼにより酸化され、この際過酸化水素が生成する。この化学反応式は次の通りである。
【００７２】
グルコース ＋ 酸素 → グルコノラクトン ＋ 過酸化水素
【００７３】
したがって、ゲル２０１中に二酸化マンガン粒子２０３の代わりに酵素を固定し、過酸化水素の代わりにグルコース溶液を流せば、過酸化水素と二酸化マンガンを用いた時と同様の変化を起こすことができる。
【００７４】
以上説明したように、本発明の各実施形態による自動溶液注入デバイスによれば、微小流路内を進行する過酸化水素溶液の到着のタイミングにより順次自動的にポンプが作動するため、外部に回路やプログラムを用意する必要がない。
【符号の説明】
【００７５】
１：自動溶液注入デバイス
１００：ガラス基板
２００：第１のPoly(dimethylsiloxane）(ＰＤＭＳ)基板
２０１：過酸化水素溶液注入区画
２０２：触媒固定ゲル
２０３：二酸化マンガン（触媒）粒子
２０４：過酸化水素溶液送液用微小流路
２０５：過酸化水素溶液供給区画
２０６：過酸化水素溶液送液用微小液絡路
２０７：空気抜き用流路
３００：ダイヤフラム
４００：第２のＰＤＭＳ基板
４０１：被送液溶液注入区画
４０２：被送液溶液用微小流路
４０３：注入口
４０４：被送液溶液用微小液絡路
５００：アクリル板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被送液溶液を収容する被送液溶液注入区画と、
前記被送液溶液注入区画の一面に備わるダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムにほぼ接する位置に触媒物質が固定され、ガス発生溶液が導入されるガス発生溶液注入区画と、
を備えるマイクロポンプ部を少なくとも１つ有し、
前記マイクロポンプ部は、
前記ガス発生溶液注入区画に導入された前記ガス発生溶液が前記触媒物質に接触することにより生ずる気体が、前記ダイヤフラムを介して前記被送液溶液注入区画内の前記被送液溶液を押し出し送液を行うことを特徴とする自動溶液注入デバイス。
【請求項２】
空気を収容する気室区画と、
前記気室区画の一面に備わるダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムにほぼ接する位置に触媒物質が固定され、ガス発生溶液が導入されるガス発生溶液注入区画と、
を備える補助マイクロポンプ部を少なくとも１つさらに有し、
前記補助マイクロポンプ部は、
前記ガス発生溶液注入区画に導入された前記ガス発生溶液が前記触媒物質に接触することにより生ずる気体が、前記ダイヤフラムを介して前記気室区画内の前記空気を押し出すことにより、前記被送液溶液に圧力を与えることを特徴とする請求項１に記載の自動溶液注入デバイス。
【請求項３】
前記ガス発生溶液注入区画は、ガス発生溶液送液用微小流路を介して前記ガス発生溶液が導入されることを特徴とする請求項１または２に記載の自動溶液注入デバイス。
【請求項４】
前記マイクロポンプ部の動作タイミングは、前記ガス発生溶液送液用微小流路の、長さ、流路形状、ぬれ性、材質、又は、断面寸法のうちの少なくとも１つに従って設定されることを特徴とする請求項３に記載の自動溶液注入デバイス。
【請求項５】
前記触媒物質と前記ガス発生溶液とは、
二酸化マンガン及び過酸化水素溶液、酵素カタラーゼ及び過酸化水素溶液、酸及び炭酸水素イオンを含む溶液、塩基溶液及びアンモニウムイオンを含む溶液、酸化還元酵素及びその基質を含む溶液から選ばれた１つの組み合わせであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の自動溶液注入デバイス。
【請求項６】
前記触媒物質は、触媒固定ゲルにより前記ガス発生溶液注入区画内に固定されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の自動溶液注入デバイス。
【請求項７】
請求項１から６に記載の自動溶液注入デバイスの制御方法であって、
前記ガス発生溶液に界面活性剤を添加することにより送液速度を変化させて、送液のタイミングを調整することを特徴とする自動溶液注入デバイスの制御方法。
【請求項１】
被送液溶液を収容する被送液溶液注入区画と、
前記被送液溶液注入区画の一面に備わるダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムにほぼ接する位置に触媒物質が固定され、ガス発生溶液が導入されるガス発生溶液注入区画と、
を備えるマイクロポンプ部を少なくとも１つ有し、
前記マイクロポンプ部は、
前記ガス発生溶液注入区画に導入された前記ガス発生溶液が前記触媒物質に接触することにより生ずる気体が、前記ダイヤフラムを介して前記被送液溶液注入区画内の前記被送液溶液を押し出し送液を行うことを特徴とする自動溶液注入デバイス。
【請求項２】
空気を収容する気室区画と、
前記気室区画の一面に備わるダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムにほぼ接する位置に触媒物質が固定され、ガス発生溶液が導入されるガス発生溶液注入区画と、
を備える補助マイクロポンプ部を少なくとも１つさらに有し、
前記補助マイクロポンプ部は、
前記ガス発生溶液注入区画に導入された前記ガス発生溶液が前記触媒物質に接触することにより生ずる気体が、前記ダイヤフラムを介して前記気室区画内の前記空気を押し出すことにより、前記被送液溶液に圧力を与えることを特徴とする請求項１に記載の自動溶液注入デバイス。
【請求項３】
前記ガス発生溶液注入区画は、ガス発生溶液送液用微小流路を介して前記ガス発生溶液が導入されることを特徴とする請求項１または２に記載の自動溶液注入デバイス。
【請求項４】
前記マイクロポンプ部の動作タイミングは、前記ガス発生溶液送液用微小流路の、長さ、流路形状、ぬれ性、材質、又は、断面寸法のうちの少なくとも１つに従って設定されることを特徴とする請求項３に記載の自動溶液注入デバイス。
【請求項５】
前記触媒物質と前記ガス発生溶液とは、
二酸化マンガン及び過酸化水素溶液、酵素カタラーゼ及び過酸化水素溶液、酸及び炭酸水素イオンを含む溶液、塩基溶液及びアンモニウムイオンを含む溶液、酸化還元酵素及びその基質を含む溶液から選ばれた１つの組み合わせであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の自動溶液注入デバイス。
【請求項６】
前記触媒物質は、触媒固定ゲルにより前記ガス発生溶液注入区画内に固定されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の自動溶液注入デバイス。
【請求項７】
請求項１から６に記載の自動溶液注入デバイスの制御方法であって、
前記ガス発生溶液に界面活性剤を添加することにより送液速度を変化させて、送液のタイミングを調整することを特徴とする自動溶液注入デバイスの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図５】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図５】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−２３０５２９（Ｐ２０１０−２３０５２９Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７９０２７（Ｐ２００９−７９０２７）
【出願日】平成２１年３月２７日（２００９．３．２７）
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２７日（２００９．３．２７）
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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