JP2004361205A

JP2004361205A - Micro reaction device

Info

Publication number: JP2004361205A
Application number: JP2003159085A
Authority: JP
Inventors: Masaki Kanai; 正樹叶井; Hiroaki Nakanishi; 博昭中西; Shuichi Shoji; 習一庄子
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2004-12-24
Anticipated expiration: 2023-06-04
Also published as: JP4259188B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce a dead volume between a micro-valve and a reaction chamber. <P>SOLUTION: A reaction chamber 22 is formed as a cavity bored through a substrate 20 and its upper part is provided with a remaining portion 32 partly left without being etched of a surface portion of the substrate 20. A micro-valve 34 is formed on the remaining portion 32 to control the introduction of a specimen from a specimen introduction passage 28 while a fluid supply port 36 into the reaction chamber 22 is formed as a vertical hole in the remaining portion 32. When introducing the specimen into the reaction chamber 22, the specimen supplied from the introduction passage 28 is introduced into the reaction chamber 22 from the supply port 36 with air pressure prevented from being applied to an air chamber on a diaphragm 34a by the micro-valve 34. The supply port 36 is closed by the diaphragm 34a after introducing the specimen into the reaction chamber 22. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，例えばμＴＡＳ（ＭｉｃｒｏＴｏｔａｌＡｎａｌｙｓｉｓＳｙｓｔｅｍ）のような分野において、チップ上で微量な試料液の流れを制御して化学分析、化学反応又は細胞培養などを行なうためのマイクロ反応装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
μＴＡＳ分野のような微小な空間で流体試料の量を制御して試料同士を反応させる方法として、マイクロバルブを集積化したマイクロ反応デバイスが報告されている（非特許文献１参照。）。
【０００３】
図６（Ａ）にマイクロバルブを集積化したマイクロ反応デバイスの概念図を示す。
シリコン基板などの基板２の表面に微細加工技術により反応室４とそれにつながる流路１０が形成され、反応室４などが形成されたその表面に接合されたシリコーン樹脂の一種であるＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）などの他の基板１４により、流路１０につながる試料注入口６−１，６−２及び試料排出口８が形成されている。また、反応室４への試料の注入を制御するために、基板２と基板１４により試料注入口６−１，６−２から反応室４に至る流路１０にはマイクロバルブ１２−１，１２−２が形成されている。マイクロバルブ１２−１，１２−２は例えばダイヤフラムを備えて空気圧により流路の開閉動作が駆動されるものである。
【０００４】
この例では試料注入口が２つで、２種類の反応液を注入できるようになっているが、細胞培養など、目的によっては試料注入口は１つでよい。
この反応装置では、試料注入口６−１、６−２から反応させる試料をそれぞれ導入し、マイクロバルブ１２−１，１２−２を用いてそれぞれの試料の導入量を制御する。マイクロバルブ１２−１，１２−２で制御された試料は反応室４に導入されて反応する。反応による化学変化は反応室６で測定したり、試料排出口８から反応物を採取して反応装置の外部で分析を行なったりする。
【０００５】
【非特許文献１】
Ａ．Ｒ．Ｗｈｅｅｌｅｒ，ｅｔ．ａｌ．Ｔｈｅ６ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＭｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄＣｈｅｍｉｃａｌａｎｄＢｉｏｃｈｅｍｉｃａｌＡｎａｌｙｓｉｓＳｙｓｔｅｍｓ（μＴＡＳ’０２），２００２，ＰＰ．８０２−８０４
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来報告されてきた反応装置では、図６（Ａ）の平面図である図６（Ｂ）からもわかるように、マイクロバルブ１２−１，１２−２と反応室４の間に距離があって空間１０ａ，１０ｂとなっている。そして、この空間１０ａ，１０ｂが試料のデッドボリュームとなっていた。
【０００７】
試料注入口６−１，６−２から導入された試料が、それぞれマイクロバルブ１２−１，１２−２で導入量を制御され、反応室４に導かれて反応するとき、マイクロバルブ１２−１，１２−２と反応室４の間のデッドボリューム１０ａ，１０ｂに未反応の試料が残留する。この残留した試料は、反応室４に徐々に拡散していくため、反応室４内の反応は刻時変化していくこととなる。
【０００８】
微少量の試料同士を反応させるためには、微小な反応室が必要となる。反応室を小さくしていった場合、反応室４の体積に対して、マイクロバルブ１２−１，１２−２と反応室４との間のデッドボリューム１０ａ，１０ｂの体積が無視できなくなってくる。このようなデッドボリューム１０ａ，１０ｂが存在すると、マイクロバルブ１２−１，１２−２を閉じた後でもデッドボリューム１０ａ，１０ｂからの試料が反応室４内に拡散していき、定量的な反応を損なうことになる。このような問題は反応室４につながる試料供給用の流路１０の数に関係なく存在する。
【０００９】
そこで、本発明はマイクロバルブと反応室との間のデッドボリュームに起因する問題を解決することのできる構造をもった反応装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のマイクロ反応装置は、基体内部に形成された空洞、及びその空洞に対する流体の入口と出口を備えた反応室と、前記反応室に供給される流体試料供給流路に配置され、流体の流入を制御するマイクロバルブとを備え、前記マイクロバルブは、その流体供給口が前記入口と一体化して前記反応室に面するように、前記反応室と一体的に形成されているものである。
【００１１】
このように、マイクロバルブの流体供給口が反応室の入口と一体化していることにより、マイクロバルブと反応室との間のデッドボリュームが少なくなり、反応室内の反応を正確に制御することができるようになる。
【００１２】
マイクロバルブの流体供給口は反応室の空洞の上面又は下面に位置していることが好ましい。その場合、マイクロパルプの流体供給口が反応室の直上又は真下に配置されて垂直方向を向くことになり、マイクロバルブと反応室との間のデッドボリュームがより少なくなるとともに、仮にデッドボリュームが存在したとしても落下又は拡散によって、そこに未反応の試料が残存することがなくなり、反応室内の反応をより正確に制御することができるようになる。
【００１３】
好ましい形態として、反応室は空洞の少なくとも一部が上面と下面に開口をもつ貫通穴として形成されており、それらの開口は光透過性の部材で閉じられ、外部から透過光による光学検出が可能になっているものを挙げることができる。
【００１４】
また、反応室は空洞の一方の面の一部が開口をもってその開口が基体とは別の部材で閉じられており、空洞のその開口部以外の部分に入口と一体化したマイクロバルブ流体供給口が形成されており、マイクロバルブは流体供給口を開閉するダイヤフラムを備えたものとすることができる。
【００１５】
マイクロバルブは、他のダイヤフラムにより開閉される流体排出口をさらに備え、流体試料供給流路を流体供給口と流体排出口に任意に接続できるものとすることができる。
反応室は空洞の一方の面の一部が開口をもってその開口が基体とは別の部材で閉じられており、空洞のその面の開口部以外の部分は基体が厚さ方向に一部残存したものであり、入口と一体化したマイクロバルブ流体供給口はその残存部分に垂直方向に形成された貫通穴とすることができる。
【００１６】
この反応装置は、シリコン基板などの基体をドライエッチングすることにより形成することができる。その際、ドライエッチングにより反応室を形成するとともに、その反応室の上部に基板を厚さ方向に一部残存させて薄膜部を形成し、その薄膜部にマイクロパルプを形成することで、同一基板上で反応容器上部にマイクロバルブを形成することができる。同一基板上に加工を施すことによって、加工後の位置合わせ接合が不要となるため、マイクロバルブと反応室との正確な位置決めが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１は試料導入用の流路が１つの第１の実施例を示したものであり、（Ａ）は概略斜視図、（Ｂ）はそのＡ−Ａ線位置での断面図である。
【００１８】
基体２０は例えばシリコン基板であり、エッチングにより反応室２２、試料を反応室２２に導く試料導入流路２８、及び反応室２２からの反応液を排出口に導く排出用流路３０が形成されている。
基体２０としてはシリコン基板以外に、合成石英ガラス基板、パイレックス（登録商標）ガラス基板、その他のガラス基板などを用いることもできる。
【００１９】
反応室２２は基体２０を貫通する空洞として形成され、その上部には基体２０の表面部分の一部がエッチングされずに残された残存部分３２が設けられている。その残存部分３２には試料導入流路２８からの試料の導入を制御するマイクロバルブ３４が形成されている。マイクロバルブ３４では反応室２２への流体供給口３６が残存部分３２に垂直方向の穴として形成されている。その穴３６がマイクロバルブ３４の流体供給口と反応室２２の入口を兼ねている。
マイクロバルブ３４はその穴３６を開閉するダイヤフラム３４ａを備えている。
【００２０】
マイクロバルブ３４でダイヤフラム３４ａ上に空気室を形成するとともに、基体２０の上面で試料導入口２４と試料排出口２６に開口を設け、ダイヤフラム３４ａ上の空気室にマイクロバルブ駆動用の空気を供給するための流路を形成し、その空気供給用の流路につながる空気供給口３８を設けるために、基体２０の上面に上部基板４０が接合されている。上部基板４０は例えばＰＤＭＳによる樹脂成型品であり、ダイヤフラム３４ａはその上部基板４０と同じ材質のＰＤＭＳからなる薄膜である。
【００２１】
ダイヤフラム３４ａとなる薄膜としては、ＰＤＭＳのほか、シリコーン樹脂膜、フッ素アモルファス樹脂（例えば、ＣＹＴＯＰ：旭硝子株式会社製）などを用いることができ、その厚さは数十μｍ〜数百μｍが適当である。
【００２２】
基体２０の裏面側は透明ガラス基板２１、例えばパイレックスガラス（登録商標）が接合され、裏面側から反応室２２内を光学的に観測できるようになっている。ガラス基板２１の厚さは特に限定はされないが、顕微鏡観察を行なうことを目的とする場合には、顕微鏡観察に適した厚さ、例えば０．１５ｍｍ程度のものを使用するのが好ましい。
【００２３】
この実施例において、反応室２２に試料を導入するときは、マイクロバルブ３４でダイヤフラム３４ａ上の空気室に空気圧を印加しない状態で試料導入流路２８から供給される試料を流体供給口３６から反応室２２へ導入する。反応室２２への試料導入後は、ダイヤフラム３４ａにより流体供給口３６を閉じる。流体供給口３６は基板残存部分３２に垂直方向に開けられた穴であるので、マイクロバルブ３４と反応室２２との間に未反応の試料が残留することがない。
【００２４】
試料は反応室２２内で反応したり、細胞培養などが行なわれる。反応室２２の裏面は透明ガラス板２１であるので、反応室２２内の様子はその透明ガラス板２１を通して顕微鏡などにより光学的に観察することができる。
反応や培養を終了した後の反応液は、試料排出口２６から取り出すことができる。
【００２５】
図２は第２の実施例を表わす。図２の実施例では、マイクロバルブ４１は反応室２２の上部の基体残存部分３２に反応室入口を兼ねる流体供給口３６を備えている点は図１の実施例を同じであるが、反応室上から離れた位置に流体排出口４２を備えている点が異なる。４４はその流体排出口４２につながる排出口である。
【００２６】
マイクロバルブ４１のダイヤフラムとしては、流体供給口３６を開閉するダイヤフラム４１ａと、排出口４２を開閉するダイヤフラム４１ｂを備え、それぞれが独立して開閉できるように設けられている。それぞれのダイヤフラム４１ａ，４１ｂに駆動用空気を供給するために供給口３８ａ，３８ｂがそれぞれ設けられ、それぞれの空気供給口３８ａ，３８ｂから流路を経てダイヤフラム４１ａ，４１ｂ上の空気室に駆動用空気が独立して供給されるようになっている。
【００２７】
反応室２２は試料排出口２６へつながる出口に細胞などの流出を防ぐ微細な柱状ピラー２３を備えている。また、この実施例では、試料供給流路２８はその供給口が基体２０の裏面側に形成されている。
【００２８】
図３に図２の実施例の反応装置の動作を示す。
（Ａ）は試料を反応室２２に供給するときのマイクロバルブ４１ａ，４１ｂの動作であり、試料供給側のダイヤフラム４１ａには空気圧は加えられず、ダイヤフラム４１ｂに空気圧が加えられる。これにより供給口３６が開けられ、排出口４２が閉じられる。試料供給流路２８から矢印のように供給された試料は供給口３６から反応室２２内に供給される。
【００２９】
（Ｂ）は試料交換のときなど、試料供給流路２８に残留している試料を新しい試料と置換するためのパージモードを示したものである。このときダイヤフラム４１ａ，４１ｂは、（Ａ）とは逆にダイヤフラム４１ａ上の空気室に空気圧が与えられて供給口３６が閉じられ、ダイヤフラム４１ｂ上の空気室には空気圧が与えられずに排出口４２が開いた状態となる。新しい試料を供給すると、流路２８に残留していた試料は排出口４２から排出され、流路２８は新しい試料で置換される。
【００３０】
図４は図２の実施例における基体２０の画像である。（ａ）は反応室２２部分の斜視図であり、基板２０に反応室２２が貫通した穴として開けられ、その上部開口に残存した基板部分に供給口３６が開けられているのがわかる。（ｂ）はその基板を裏面側から見た画像であり、反応室の穴とともに試料供給用や排出の流路がそれぞれ溝として形成されているのがわかる。（ｃ）は反応室からマイクロバルブに沿って切断した状態の断面図を示したものである。
【００３１】
図１、図２の実施例は反応室に対する試料供給流路が１つの場合であるが、用途に応じて２つ又はそれ以上とすることもできる。その場合、それぞれの試料供給流路に反応室に面する試料供給口をもつマイクロバルブを配置すればよい。
【００３２】
次に、図５により実施例の製造方法を説明する。ただし、この実施例は図１の実施例とも図２の実施例とも厳密には一致しない。反応室や流路は、シリコン基板にフォトリソグラフイーとデイープＲＩＥ（反応性イオンエッチング）により形成する。
【００３３】
（Ａ）厚さが３００μｍのシリコン基板２０にドライエッチング時のマスクとなるシリコン酸化膜５０を熱酸化により１μｍの厚さに形成する。
（Ｂ）両面アライナーを用いたフォトリソグラフイーによりレジストパターンを形成し、そのレジストパターンをマスクとしてフッ酸を用いた酸化膜エッチングにより、酸化膜５０をパターニングする。このとき、基板２０の上面ではマイクロバルブと反応室の上部開口形状を決定する酸化膜パターン５０ａを形成し、基板２０の下面では試料導入流路の形状が決定されるように酸化膜パターン５０ｂを形成する。
【００３４】
（Ｃ）シリコン基板上面にフォトリソグラフイーにより、反応室の上部開口と、マイクロバルブにおける試料供給口３６と試料供給流路２８につながる口の形状を決定するフォトレジストパターン５２を形成する。
次に、このときフォトレジストパターンをマスクとして、シリコン基板２０をＩＣＰ（誘導結合プラズマ）−ＲＩＥを用いてドライエッチングにより５０μｍ程度の深さにエッチングする。
【００３５】
（Ｄ）フォトレジスト除去後、工程（Ｂ）でバターニングした酸化膜パターン５０ａをマスクにしてＣＣＰ（ＣａｐａｃｉｔｉｖｅＣｏｕｐｌｉｎｇＰｌａｓｍａ）−ＲＩＥを用いて２０μｍ程度の深さにドライエッチングを行ない、マイクロバルブ形状を形成する。
【００３６】
（Ｅ）次に、シリコン基板２０の下面にフォトリソグラフイーにより、反応室の下面からの貫通穴の形状と試料導入流路の基板厚さ方向の形状を決定するフォトレジストバターン５４を形成する。
次にこのフォトレジストバターン５４をマスクとしてシリコン基板２０をＩＣＰ−ＲＩＥを用いてドライエッチングする。
【００３７】
（Ｆ）フォトレジスト除去後、酸化膜パターン５０ａ，５０ｂをマスクとしてＩＣＰ−ＲＩＥを用いてドライエッチングを行なう。このエッチングで、反応室上部の一部３２を除いた部分が貫通し、マイクロバルブ３４が反応室２２の上部にせり出した形状が実現される。また同時にこ試料導入用の流路２８が形成される。
（Ｇ）このように形成されたシリコン基板２２の下面にパイレックスガラス（登録商標）板２２を陽極接合する。
【００３８】
（Ｈ）シリコン基板２２の上面にマイクロバルブのダイアフラム３４ａとなるＰＤＭＳ薄膜を接合する。ＰＤＭＳ薄膜の接合は、例えば次のように行なう。まず、ＰＤＭＳ（Ｓｙｌｇａｒｄ１８４：ＤｏｗＣｏｒｎｉｎｇ社（米）の製品）をポリエステル膜やＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）膜などの樹脂膜上にスピンコート法により３０μｍ程度の厚さに形成する。そのＰＤＭＳ薄膜を６０℃で３０分間加熱処理する。ＰＤＭＳはこの加熱処理では完全には硬化しない。次にそのＰＤＭＳ薄膜をシリコン基板２２の上面に貼りつけ、１０５℃で１時間加熱処理してＰＤＭＳを完全に硬化させることによりＰＤＭＳ薄膜をシリコン基板２２の上面に接合する。その後、ＰＤＭＳ薄膜を形成していた樹脂膜を剥離する。
【００３９】
次に、ＰＤＭＳ膜３４ａ上に、ダイヤフラム３４ａ上の空気室、その空気室にマイクロバルブ駆動用の空気を供給するための流路、その空気供給用流路につながる空気供給口、試料導入口及び試料排出口が形成されたＰＤＭＳによる樹脂成型品４０を貼り合せる。
これにより、反応装置が完成する。
【００４０】
【発明の効果】
本発明のマイクロ反応装置は、基体内部に形成された反応室に試料を供給する流体試料供給流路に流体の流入を制御するマイクロバルブを備えるとともに、そのマイクロバルブは、その流体供給口が反応室の入口と一体化して反応室に面するように、反応室と一体的に形成されているので、マイクロバルブと反応室との間のデッドボリュームが少なくなり、反応室内の反応を正確に制御することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施例を表わし、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線位置での断面図である。
【図２】他の実施例を表わし、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線位置での断面図である。
【図３】図２の実施例の動作を示す断面図である。
【図４】図２の実施例における基体の画像であり、（ａ）は反応室部分の斜視図、（ｂ）は基板を裏面側から見た斜視図、（ｃ）は反応室からマイクロバルブに沿って切断した状態の断面図を示したものである。
【図５】１つの実施例の反応装置を製造する方法を示す工程断面図である。
【図６】従来のマイクロ反応装置を示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図である。
【符号の説明】
２０基体
２２反応室
２８試料導入流路
３０排出用流路
３２残存部分
３４，４１マイクロバルブ
３６流体供給口
３４ａ，４１ａ，４１ｂダイヤフラム
４０上部基板
２１透明ガラス基板
４２流体排出口
３８，３８ａ，３８ｂマイクロバルブ駆動用空気供給口[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a microreactor for performing a chemical analysis, a chemical reaction, a cell culture, or the like by controlling a flow of a small amount of a sample solution on a chip in a field such as μTAS (Micro Total Analysis System). is there.
[0002]
[Prior art]
As a method of controlling the amount of a fluid sample in a minute space such as in the μTAS field and causing the samples to react with each other, a microreaction device in which a microvalve is integrated has been reported (see Non-Patent Document 1).
[0003]
FIG. 6A shows a conceptual diagram of a micro reaction device in which micro valves are integrated.
A reaction chamber 4 and a flow path 10 connected to the reaction chamber 4 are formed on the surface of a substrate 2 such as a silicon substrate by a microfabrication technique, and PDMS (polydimethylsiloxane), a kind of silicone resin bonded to the surface where the reaction chamber 4 and the like are formed, is bonded. The sample injection ports 6-1 and 6-2 and the sample discharge port 8 connected to the flow path 10 are formed by another substrate 14 such as siloxane. In order to control the injection of the sample into the reaction chamber 4, the micro valves 12-1, 12-12 are provided in the flow path 10 from the sample injection ports 6-1 and 6-2 to the reaction chamber 4 by the substrate 2 and the substrate 14. -2 is formed. The microvalves 12-1 and 12-2 are provided with, for example, a diaphragm, and the opening and closing operation of the flow path is driven by air pressure.
[0004]
In this example, there are two sample injection ports so that two kinds of reaction liquids can be injected. However, one sample injection port may be used depending on the purpose such as cell culture.
In this reaction device, samples to be reacted are introduced from the sample injection ports 6-1 and 6-2, respectively, and the amount of each sample introduced is controlled using the microvalves 12-1 and 12-2. The sample controlled by the micro valves 12-1 and 12-2 is introduced into the reaction chamber 4 and reacts. The chemical change due to the reaction is measured in the reaction chamber 6 or the reaction product is collected from the sample outlet 8 and analyzed outside the reaction apparatus.
[0005]
[Non-patent document 1]
A. R. Wheeler, et. al. The 6th International Conference on Miniaturized Chemical and Biochemical Analysis Systems (μTAS'02), 2002, PP. 802-804
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventionally reported reaction apparatus, as can be seen from FIG. 6B which is a plan view of FIG. There are spaces 10a and 10b. The spaces 10a and 10b are dead volumes of the sample.
[0007]
When the amount of the sample introduced from the sample injection ports 6-1 and 6-2 is controlled by the microvalves 12-1 and 12-2, respectively, and introduced into the reaction chamber 4, the microvalve 12-1 reacts. , 12-2 and the reaction chamber 4 remain in the dead volumes 10a, 10b. The remaining sample gradually diffuses into the reaction chamber 4, so that the reaction in the reaction chamber 4 changes with time.
[0008]
In order to cause a very small amount of samples to react with each other, a minute reaction chamber is required. When the size of the reaction chamber is reduced, the volumes of the dead volumes 10 a and 10 b between the microvalves 12-1 and 12-2 and the reaction chamber 4 cannot be ignored with respect to the volume of the reaction chamber 4. When such dead volumes 10a and 10b exist, the sample from the dead volumes 10a and 10b diffuses into the reaction chamber 4 even after the micro valves 12-1 and 12-2 are closed, and a quantitative reaction is performed. You will lose. Such a problem exists irrespective of the number of sample supply channels 10 connected to the reaction chamber 4.
[0009]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a reactor having a structure capable of solving a problem caused by a dead volume between a microvalve and a reaction chamber.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The microreactor of the present invention is disposed in a cavity formed inside a substrate, a reaction chamber having an inlet and an outlet for a fluid with respect to the cavity, and a fluid sample supply flow channel supplied to the reaction chamber, and a A micro-valve for controlling inflow, wherein the micro-valve is formed integrally with the reaction chamber so that a fluid supply port thereof is integrated with the inlet and faces the reaction chamber.
[0011]
As described above, since the fluid supply port of the microvalve is integrated with the inlet of the reaction chamber, the dead volume between the microvalve and the reaction chamber is reduced, and the reaction in the reaction chamber can be accurately controlled. Become like
[0012]
The fluid supply port of the microvalve is preferably located on the upper or lower surface of the cavity of the reaction chamber. In that case, the fluid supply port of the micro pulp is disposed immediately above or directly below the reaction chamber and faces vertically, so that the dead volume between the micro valve and the reaction chamber becomes smaller, and if there is a dead volume, Even if this occurs, the unreacted sample does not remain there due to the dropping or diffusion, and the reaction in the reaction chamber can be more accurately controlled.
[0013]
In a preferred mode, the reaction chamber is formed as a through hole having at least a part of the cavity with openings on the upper surface and the lower surface, and the openings are closed by a light transmissive member, and optical detection by transmitted light from the outside is possible. Can be listed.
[0014]
Also, the reaction chamber has an opening on one side of the cavity and the opening is closed by a member other than the base, and the microvalve fluid supply port integrated with the inlet is provided on a portion of the cavity other than the opening. Is formed, and the microvalve may be provided with a diaphragm for opening and closing the fluid supply port.
[0015]
The microvalve may further include a fluid outlet that is opened and closed by another diaphragm, and the fluid sample supply channel may be arbitrarily connected to the fluid supply port and the fluid outlet.
In the reaction chamber, a part of one surface of the cavity has an opening, and the opening is closed by a member different from the base, and the base remains in the thickness direction in a part of the cavity other than the opening on the surface. The micro valve fluid supply port integrated with the inlet may be a through hole formed in the remaining portion in a vertical direction.
[0016]
This reaction device can be formed by dry-etching a substrate such as a silicon substrate. At that time, a reaction chamber is formed by dry etching, and a thin film portion is formed by partially leaving a substrate in the thickness direction above the reaction chamber, and micropulp is formed in the thin film portion to form the same substrate. A microvalve can be formed above the reaction vessel. By performing processing on the same substrate, alignment bonding after processing is not required, and thus accurate positioning between the microvalve and the reaction chamber can be performed.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1A and 1B show a first embodiment in which one sample introduction flow path is used. FIG. 1A is a schematic perspective view, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA.
[0018]
The substrate 20 is, for example, a silicon substrate. The reaction chamber 22 is formed by etching, a sample introduction channel 28 for guiding a sample to the reaction chamber 22, and a discharge channel 30 for guiding a reaction solution from the reaction chamber 22 to an outlet. I have.
In addition to the silicon substrate, a synthetic quartz glass substrate, a Pyrex (registered trademark) glass substrate, another glass substrate, or the like can be used as the base 20.
[0019]
The reaction chamber 22 is formed as a cavity that penetrates the base 20, and a top portion thereof is provided with a remaining portion 32 in which a part of the surface of the base 20 is left without being etched. A microvalve 34 for controlling the introduction of the sample from the sample introduction channel 28 is formed in the remaining portion 32. In the microvalve 34, a fluid supply port 36 to the reaction chamber 22 is formed as a vertical hole in the remaining portion 32. The hole 36 also serves as a fluid supply port of the microvalve 34 and an inlet of the reaction chamber 22.
The microvalve 34 has a diaphragm 34a that opens and closes the hole 36.
[0020]
An air chamber is formed on the diaphragm 34a by the microvalve 34, and openings are provided on the upper surface of the base 20 at the sample introduction port 24 and the sample discharge port 26, so that air for driving the microvalve is supplied to the air chamber on the diaphragm 34a. The upper substrate 40 is joined to the upper surface of the base 20 in order to form a flow path for air supply and to provide an air supply port 38 connected to the flow path for air supply. The upper substrate 40 is, for example, a resin molded product made of PDMS, and the diaphragm 34a is a thin film made of PDMS of the same material as the upper substrate 40.
[0021]
As the thin film to be the diaphragm 34a, besides PDMS, a silicone resin film, a fluorine amorphous resin (for example, CYTOP: manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) or the like can be used, and its thickness is suitably several tens μm to several hundred μm. is there.
[0022]
A transparent glass substrate 21, for example, Pyrex glass (registered trademark) is bonded to the back surface of the base 20, so that the inside of the reaction chamber 22 can be optically observed from the back surface. Although the thickness of the glass substrate 21 is not particularly limited, when the purpose is to perform microscopic observation, it is preferable to use a glass substrate having a thickness suitable for microscopic observation, for example, about 0.15 mm.
[0023]
In this embodiment, when a sample is introduced into the reaction chamber 22, the sample supplied from the sample introduction channel 28 is reacted through the fluid supply port 36 without applying air pressure to the air chamber above the diaphragm 34 a by the micro valve 34. It is introduced into the chamber 22. After the sample is introduced into the reaction chamber 22, the fluid supply port 36 is closed by the diaphragm 34a. Since the fluid supply port 36 is a hole formed in the substrate remaining portion 32 in the vertical direction, an unreacted sample does not remain between the microvalve 34 and the reaction chamber 22.
[0024]
The sample reacts in the reaction chamber 22 or cell culture is performed. Since the rear surface of the reaction chamber 22 is a transparent glass plate 21, the inside of the reaction chamber 22 can be optically observed by a microscope or the like through the transparent glass plate 21.
The reaction solution after the completion of the reaction or culture can be taken out from the sample outlet 26.
[0025]
FIG. 2 shows a second embodiment. In the embodiment of FIG. 2, the microvalve 41 is the same as the embodiment of FIG. 1 in that a fluid supply port 36 also serving as a reaction chamber inlet is provided in the substrate remaining portion 32 above the reaction chamber 22. The difference is that a fluid outlet 42 is provided at a position away from above. An outlet 44 is connected to the fluid outlet 42.
[0026]
The diaphragm of the microvalve 41 includes a diaphragm 41a that opens and closes the fluid supply port 36 and a diaphragm 41b that opens and closes the discharge port 42, and is provided so that each can be opened and closed independently. Supply ports 38a and 38b are provided for supplying drive air to the respective diaphragms 41a and 41b, and drive air is supplied from the respective air supply ports 38a and 38b to air chambers on the diaphragms 41a and 41b via flow paths. Are supplied independently.
[0027]
The reaction chamber 22 is provided with a fine pillar-shaped pillar 23 at an outlet connected to the sample outlet 26 to prevent cells and the like from flowing out. In this embodiment, the supply port of the sample supply channel 28 is formed on the back side of the substrate 20.
[0028]
FIG. 3 shows the operation of the reactor of the embodiment shown in FIG.
(A) shows the operation of the micro valves 41a and 41b when the sample is supplied to the reaction chamber 22. No air pressure is applied to the diaphragm 41a on the sample supply side, and air pressure is applied to the diaphragm 41b. Thereby, the supply port 36 is opened, and the discharge port 42 is closed. The sample supplied from the sample supply channel 28 as shown by the arrow is supplied from the supply port 36 into the reaction chamber 22.
[0029]
(B) shows a purge mode for replacing a sample remaining in the sample supply channel 28 with a new sample, for example, at the time of sample replacement. At this time, the air pressure is applied to the air chamber above the diaphragm 41a, the supply port 36 is closed, and the air chamber above the diaphragm 41b is discharged without applying air pressure to the air chamber above the diaphragm 41a. 42 is in an open state. When a new sample is supplied, the sample remaining in the channel 28 is discharged from the outlet 42, and the channel 28 is replaced with a new sample.
[0030]
FIG. 4 is an image of the base 20 in the embodiment of FIG. (A) is a perspective view of the reaction chamber 22 portion, and it can be seen that a supply port 36 is opened in the substrate 20 as a hole through which the reaction chamber 22 penetrates, and the substrate portion remaining in the upper opening. (B) is an image of the substrate viewed from the back side, and it can be seen that the channels for sample supply and discharge are formed as grooves together with the holes in the reaction chamber. (C) is a cross-sectional view of the reaction chamber cut along the microvalve.
[0031]
Although the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 has a single sample supply flow path to the reaction chamber, it may have two or more flow paths depending on the application. In that case, a microvalve having a sample supply port facing the reaction chamber may be arranged in each sample supply channel.
[0032]
Next, a manufacturing method of the embodiment will be described with reference to FIG. However, this embodiment does not exactly match the embodiment of FIG. 1 or the embodiment of FIG. The reaction chamber and the flow path are formed on the silicon substrate by photolithography and deep RIE (reactive ion etching).
[0033]
(A) A silicon oxide film 50 serving as a mask during dry etching is formed on a silicon substrate 20 having a thickness of 300 μm to a thickness of 1 μm by thermal oxidation.
(B) A resist pattern is formed by photolithography using a double-sided aligner, and the oxide film 50 is patterned by etching the oxide film using hydrofluoric acid using the resist pattern as a mask. At this time, an oxide film pattern 50a that determines the shape of the microvalve and the upper opening of the reaction chamber is formed on the upper surface of the substrate 20, and the oxide film pattern 50b is formed on the lower surface of the substrate 20 so that the shape of the sample introduction channel is determined. Form.
[0034]
(C) A photoresist pattern 52 is formed on the upper surface of the silicon substrate by photolithography to determine the shape of the upper opening of the reaction chamber and the shape of the sample supply port 36 and the port connected to the sample supply channel 28 in the microvalve.
Next, at this time, using the photoresist pattern as a mask, the silicon substrate 20 is etched to a depth of about 50 μm by dry etching using ICP (inductively coupled plasma) -RIE.
[0035]
(D) After removing the photoresist, dry etching is performed to a depth of about 20 μm using CCP (Capacitive Coupling Plasma) -RIE using the oxide film pattern 50a patterned in the step (B) as a mask to form a microvalve shape. Form.
[0036]
(E) Next, a photoresist pattern 54 for determining the shape of the through hole from the lower surface of the reaction chamber and the shape of the sample introduction channel in the substrate thickness direction is formed on the lower surface of the silicon substrate 20 by photolithography.
Next, using the photoresist pattern 54 as a mask, the silicon substrate 20 is dry-etched using ICP-RIE.
[0037]
(F) After removing the photoresist, dry etching is performed using ICP-RIE using the oxide film patterns 50a and 50b as a mask. By this etching, a portion excluding the upper part 32 of the reaction chamber penetrates, and a shape in which the microvalve 34 protrudes to the upper part of the reaction chamber 22 is realized. At the same time, a channel 28 for introducing the sample is formed.
(G) A pyrex glass (registered trademark) plate 22 is anodically bonded to the lower surface of the silicon substrate 22 thus formed.
[0038]
(H) A PDMS thin film serving as a micro valve diaphragm 34a is bonded to the upper surface of the silicon substrate 22. The bonding of the PDMS thin film is performed, for example, as follows. First, PDMS (Sylgard 184: a product of Dow Corning (USA)) is formed on a resin film such as a polyester film or a PET (polyethylene terephthalate) film to a thickness of about 30 μm by spin coating. The PDMS thin film is heated at 60 ° C. for 30 minutes. PDMS is not completely cured by this heat treatment. Next, the PDMS thin film is bonded to the upper surface of the silicon substrate 22 by attaching the PDMS thin film to the upper surface of the silicon substrate 22 and heating the same at 105 ° C. for 1 hour to completely cure the PDMS. Thereafter, the resin film forming the PDMS thin film is peeled off.
[0039]
Next, on the PDMS film 34a, an air chamber on the diaphragm 34a, a flow path for supplying air for driving the microvalve to the air chamber, an air supply port connected to the air supply flow path, a sample introduction port, A resin molded product 40 made of PDMS having a sample outlet formed therein is bonded.
Thereby, the reaction device is completed.
[0040]
【The invention's effect】
The microreactor of the present invention includes a microvalve for controlling the inflow of a fluid into a fluid sample supply channel for supplying a sample to a reaction chamber formed inside a substrate, and the microvalve has a fluid supply port having a reaction port. As it is formed integrally with the reaction chamber so as to face the reaction chamber integrally with the inlet of the chamber, the dead volume between the microvalve and the reaction chamber is reduced, and the reaction in the reaction chamber is accurately controlled Will be able to
[Brief description of the drawings]
1A and 1B show an embodiment, in which FIG. 1A is a perspective view, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along a line AA in FIG.
2A and 2B show another embodiment, in which FIG. 2A is a perspective view, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along a line AA in FIG. 2A.
FIG. 3 is a sectional view showing an operation of the embodiment of FIG. 2;
4A and 4B are images of a substrate in the embodiment of FIG. 2, wherein FIG. 4A is a perspective view of a reaction chamber portion, FIG. 4B is a perspective view of the substrate viewed from the back side, and FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line A.
FIG. 5 is a process cross-sectional view showing a method for manufacturing a reactor of one embodiment.
FIG. 6 is a view showing a conventional microreactor, wherein (A) is a perspective view and (B) is a plan view.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 20 base 22 reaction chamber 28 sample introduction flow path 30 discharge flow path 32 remaining portion 34, 41 micro valve 36 fluid supply ports 34a, 41a, 41b diaphragm 40 upper substrate 21 transparent glass substrate 42 fluid discharge ports 38, 38a, 38b micro Air supply port for valve drive

Claims

基体内部に形成された空洞、及びその空洞に対する流体の入口と出口を備えた反応室と、前記反応室に供給される流体試料供給流路に配置され、流体の流入を制御するマイクロバルブとを備え、
前記マイクロバルブは、その流体供給口が前記入口と一体化して前記反応室に面するように、前記反応室と一体的に形成されているマイクロ反応装置。A cavity formed inside the substrate, and a reaction chamber having an inlet and an outlet for a fluid with respect to the cavity, and a microvalve arranged in a fluid sample supply channel supplied to the reaction chamber and controlling the inflow of the fluid. Prepare,
A microreactor, wherein the microvalve is formed integrally with the reaction chamber such that a fluid supply port thereof is integral with the inlet and faces the reaction chamber.

マイクロバルブの前記流体供給口は反応室の前記空洞の上面又は下面に位置している請求項１に記載のマイクロ反応装置。The microreactor according to claim 1, wherein the fluid supply port of the microvalve is located on an upper surface or a lower surface of the cavity of the reaction chamber.

前記反応室は前記空洞の少なくとも一部が上面と下面に開口をもつ貫通穴として形成されており、それらの開口は光透過性の部材で閉じられ、外部から透過光による光学検出が可能になっている請求項１又は２に記載のマイクロ反応装置。In the reaction chamber, at least a part of the cavity is formed as a through hole having an opening on an upper surface and a lower surface, and the opening is closed by a light transmitting member, so that optical detection by transmitted light from the outside becomes possible. The microreactor according to claim 1 or 2, wherein:

前記反応室は前記空洞の一方の面の一部が開口をもってその開口が前記基体とは別の部材で閉じられており、前記空洞のその開口部以外の部分に前記入口と一体化したマイクロバルブ流体供給口が形成されており、
前記マイクロバルブは前記流体供給口を開閉するダイヤフラムを備えたものである請求項１から３のいずれかに記載のマイクロ反応装置。The reaction chamber has a part of one surface of the cavity having an opening, the opening of which is closed by a member different from the base, and a microvalve integrated with the inlet in a part of the cavity other than the opening. A fluid supply port is formed,
The microreactor according to any one of claims 1 to 3, wherein the microvalve includes a diaphragm that opens and closes the fluid supply port.

前記マイクロバルブは、他のダイヤフラムにより開閉される流体排出口をさらに備え、前記流体試料供給流路を前記流体供給口と前記流体排出口に任意に接続できるものである請求項４に記載のマイクロ反応装置。The micro-valve according to claim 4, wherein the micro-valve further includes a fluid outlet that is opened and closed by another diaphragm, and the fluid sample supply channel can be arbitrarily connected to the fluid supply port and the fluid outlet. Reactor.

前記反応室は前記空洞の一方の面の一部が開口をもってその開口が前記基体とは別の部材で閉じられており、前記空洞のその面の開口部以外の部分は前記基体が厚さ方向に一部残存したものであり、前記入口と一体化したマイクロバルブ流体供給口はその残存部分に垂直方向に形成された貫通穴である請求項１から５のいずれかに記載のマイクロ反応装置。In the reaction chamber, a part of one surface of the cavity has an opening, and the opening is closed by a member different from the base. The microreactor according to any one of claims 1 to 5, wherein the microvalve fluid supply port integrated with the inlet is a through hole formed vertically in the remaining portion.