JP2006153494A - 流体搬送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 二種類の溶液を所望の比率で混合可能であり、該混合溶液の一定量を分析部等に搬送可能な流体搬送方法を提供する。
【解決手段】 流路Ａと、流路Ａにそれぞれ一端が接続された少なくとも２つの流路Ｂ及び流路Ｃを有し、流路Ｂ及び流路Ｃの各流路の途中に前記バルブを備えた流体搬送装置を用意する工程、
流路Ａ、流路Ｂ及び流路Ｃに第一の流体を導入する工程、
流路Ｂの一端より流路Ａに接続された他端の方向に第二の流体、第三の流体の少なくとも一方の流体を導入し、流路Ｂと流路Ａの交差部と、流路Ｃと流路Ａの交差部とで規定される流路Ａの区間を第二の流体及び第三の流体で満たす工程、
前記２つの交差部で規定される流路Ａの区間を満たした第二及び第三の流体を流路Ａの一端に搬送する工程、
を有する液体搬送方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流体の流れを制御するためのバルブを備えた流体搬送装置を用いた流体搬送方法に関する。特にチップ上で化学分析や化学合成を行う小型化分析システム（μ−ＴＡＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）において、流体の流れを制御するためのバルブを用いた流体搬送方法に関する。

近年、立体微細加工技術の発展に伴い、ガラスやシリコン等の基板上に、微小な流路とポンプ、バルブ等の流体素子およびセンサを集積化し、その基板上で化学分析を行うシステムが注目されている。これらのシステムは、小型化分析システム、μ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）あるいはＬａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐと呼ばれている。化学分析システムを小型化することにより、無効体積の減少や試料の分量の大幅な低減が可能となる。また、分析時間の短縮やシステム全体の低消費電力化が可能となる。さらに、小型化によりシステムの低価格を期待することができる。μ−ＴＡＳは、システムの小型化、低価格化および分析時間の大幅な短縮が可能なことから、在宅医療やベッドサイドモニタ等の医療分野、ＤＮＡ解析やプロテオーム解析等のバイオ分野での応用が期待されている。

これまで、μＴＡＳにおいて二種類の溶液を混合して分析する場合、例えば、図６に示したようにＹ字型の流路パターンが用いられてきた。流路６０１に溶液Ａに導入し、流路６０２に溶液Ｂを導入する。導入された溶液Ａ及び溶液Ｂは合流部６０３により合流し、流路６０４において混合される。流路６０４の下流部に設置した分析手段６０５により、溶液Ａと溶液Ｂの混合溶液を分析することができる。これを応用したＤＮＡ分析キットが特許文献１に開示されている。

また、μＴＡＳにおいて、一定量の液体試料を流路中から取り出して、次の工程に搬送する操作は、非常に有用である。例えば、ＨＰＬＣ（Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）のカラム部分（分析部分）に、一定量の液体試料を注入するインジェクタ−が、特許文献２に開示されている。図７は、サンプリングバルブ７０１を用いて一定量の液体試料をＨＰＬＣカラム７０３に注入する方法である。図７では、液体試料を太い線で、緩衝液を細い線で示してある。はじめ、サンプリングバルブを図７（ａ）のように配置する。液体試料は試料ループ流路７０４を満たしていて、緩衝液は分析用流路７０５を満たしている。次に図７（ｂ）のように、サンプリングバルブ７０１を回転し、サンプリングバルブ内７０１内の液体試料７０６を、分析用流路７０５に挿入する。次に図７（ｃ）のように、圧力発生源７０２を駆動することにより、サンプリングバルブ内にあった液体試料７０６を切り出して、ＨＰＬＣカラム７０３に搬送する。
特開２０００−２８７６８２号公報 米国特許明細書第６２９０９０９ Ｂ１号

図６に示した従来技術では、二本の流路の合流部から検出部の間の微小流路すべてを、二種類の溶液で満たす必要がある。この場合、溶液の種類、混合比や送液条件等を変化させて複数の分析を実施する場合に、試料を大量に浪費してしまう可能性がある。

図７に示した従来技術では、二種類の溶液を混合した試料を分析する場合には、システムの外部で二液を混合した後、システム内に導入し、一定量の試料をインジェクションする必要がある。溶液の種類や混合比を様々に変化させて複数の分析をする場合、その組み合わせ、混合比ごとに、システム外部で試料を作成する必要がある。例えば、何十種類以上の試料どうしの組み合わせで、さらに混合比も変えて分析を実施する場合、この作業は非常に手間がかかる。また分析に必要な量（分析部にインジェクションする量）より、はるかに多くの試料を、それぞれの組み合わせ、混合比ごとに用意する必要があり、試料を浪費してしまう可能性がある。

本発明は、システム内部で二種類の溶液を所望の比率で混合可能であり、該混合溶液の一定量を分析部等に搬送可能な流体搬送方法を提供するものである。

本発明により提供される流体搬送方法は、流体を流すための流路と、前記流路の途中に位置し前記流体の流れを制御するためのバルブと、を備えた流体搬送装置を用いた流体搬送方法であって、
流路Ａと、流路Ａにそれぞれ一端が接続された少なくとも２つの流路Ｂ及び流路Ｃを有し、流路Ｂ及び流路Ｃの各流路の途中に前記バルブを備えた流体搬送装置を用意する工程、
流路Ａ、流路Ｂ及び流路Ｃに第一の流体を導入する工程、
流路Ｂの一端より流路Ａに接続された他端の方向に第二の流体、第三の流体の少なくとも一方の流体を導入し、流路Ｂの一端より前記一方の流体のみを導入する場合には、流路Ｂ、流路Ｃとは別に流路Ａに一端が接続された別の流路Ｄより他方の流体を導入し、流路Ｂと流路Ａの交差部と、流路Ｃと流路Ａの交差部とで規定される流路Ａの区間を第二の流体及び第三の流体で満たす工程、
及び流路Ａ中の第一の流体を移動させることで前記２つの交差部で規定される流路Ａの区間を満たした第二及び第三の流体を流路Ａの一端に搬送する工程、
を有することを特徴とする。

前記バルブは、該バルブが設けられた前記流路に流体が流れたときに前記バルブの上流側と下流側との間に生ずる圧力差に応じて作動するものであり、前記圧力差が所定の値未満のときは、前記バルブは流体を通過させ、前記圧力差が所定の値以上のときは、流体の流れを遮断するものであることを特徴とする請求項１に記載の流体搬送方法。

本発明において用いるバルブは、所定の方向に流体が流れるときにはこれを通過させ、前記所定の方向と逆方向に流れるときは、前記圧力差が前記所定の値未満のときはこれを通過させ、前記圧力差が所定の値以上のときはこれを遮断するものとすることができる。

本発明は、流路Ｃに第二及び第三の流体を導入した後、前記２つの交差部で規定される流路Ａの区間を満たした第二及び第三の流体を流路Ａの一端に搬送する工程を行うことを包含する。

また、本発明は、流路Ｂより流路Ａに導入される第二及び第三の両方の流体が、流路Ｂの流路Ａに接続された端部とは逆の端部接続された別の流路を介して流路Ｂに導入されるものも包含する。

さらに本発明は、第一の流路、第二の流路及び第三の流路と、これら三つの流路の一端が接続された第四の流路の少なくとも四つの流路からなる流体搬送装置を用いた流体搬送方法であって、
（ａ） 前記第四の流路の一端より第一の流体を導入し、前記第一乃至第四の流路を前記第一の流体で満たす工程
（ｂ） 前記第一から第三の流路のうちのいずれかの流路の前記第四の流路に接続された一端と逆の一端から、
第二の流体を導入し、
前記第一から第三の流路のうち、前記第二の流体を導入した流路とは別のいずれかの流路の前記第四の流路に接続された一端と逆の一端から、
第二の流体を導入し、
前記第四の流路の区間のうち、
前記第二の流体を導入した流路と前記第三の流体を導入した流路と前記第四の流路の交差する第一の交差部から、
前記第一乃至第三の流路のうち前記第二及び第三の液体を導入した流路とは別の流路と前記第四の流路の交差する第二の交差部までの区間を、
前記第二の流体及び前記第三の流体の両方で満たす工程
（ｃ） 前記第四の流路の一端より第一の流体を導入し、
前記第一の交差部から前記第二の交差部までの区間にあった前記第二の液体と前記第三の液体を、前記第四の流路の他端に搬送する工程
を有する流体搬送方法を包含する。

さらに本発明は、第四の流路及び第五の流路と、
これら二つの流路の一端が接続された第六の流路の少なくとも３つの流路からなる流体搬送装置を用いた流体搬送方法であって、
（ｄ） 前記第六の流路の一端より第四の流体を導入し、前記第四乃至第六の流路を前記第四の流体で満たす工程
（ｅ） 前記第四及び第五の流路のうちのいずれかの流路の前記第六の流路に接続された一端と逆の一端から、第五の流体と第六の流体を同時に導入し、
前記第六の流路の区間のうち、
前記第五の流体と第六の流体を導入した流路と前記第六の流路の交差する第三の交差部から、
前記第四及び第五の流路のうち前記第五の流体と第六の流体を導入した流路とは別の流路と前記第六の流路の交差する第四の交差部までの区間を、
前記第五の流体と第六の流体で満たす工程
（ｆ） 前記第六の流路の一端より第一の流体を導入し、
前記第三の交差部から前記第四の交差部までの区間にあった前記第五の流体及び第六の流体を、前記第六の流路の他端に搬送する工程
を有する流体搬送方法を包含する。

本発明には、従来の技術と比較して少ないサンプル量で、所望の混合比、混合時間、送液条件で、混合流体を搬送可能であるという効果がある。また本発明には、システム内部で二種類の流体を所望の比率で混合可能であり、該混合流体の一定量を搬送可能であるという効果がある。

次に、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下の説明では、流路中で二種類の液体を所望の混合比で混合し、一定量の該混合溶液を分析部に搬送する方法について説明するが、本発明の用途は分析システムのみに限定されるものではない。流路中で二種類の流体を所望の混合比で混合し、搬送するあらゆる用途に用いることが可能である。

本発明における流体とは、液体または気体を指す。以下の説明では流体のうち液体を例として説明するが、流体は気体であっても同様にして適用可能である。

（流体搬送装置の構成）
図１は、本発明の流体搬送方法を実施する際、適用することができる流体搬送装置の構成を説明するための概念図である。

図１の流体搬送装置は、第一の流路１０１、第二の流路１０２、第三の流路１０３、第四の流路１０４、第一のバルブ１０５、第二のバルブ１０６、第三のバルブ１０７、第一の交差部１０８、第二の交差部１０９、送液手段１１０、分析部１１１よりなる。ここで、第一の流路１０１は、請求項で規定した流路Ｃに、第二の流路１０２は流路Ｄに、第三の流路１０３は流路Ｂに、第四の流路１０４は流路Ａにそれぞれ対応する。

また、前述した各構成要素は、図１のように配置されている。第四の流路１０４は送液手段１１０と分析部１１１を接続している。第一の流路１０１と第四の流路１０４は、第一の交差部１０８で交差している。第二の流路１０２と第三の流路１０３と第四の流路１０４は、第二の交差部１０９で交差している。第一のバルブ１０５、第二のバルブ１０６及び第三のバルブ１０７は、それぞれ、第一の流路１０１、第二の流路１０２及び第三の流路１０３の途中に配置されている。

第一から第三のバルブに、流体が流れると、各々のバルブに流れる流量に応じて各々のバルブの前後に圧力差が発生する。第一のバルブ、第二のバルブ及び第三のバルブは、それぞれ第一の流路、第二の流路、第三の流路から第四の流路に流入する方向の流れに関しては、その流れによりバルブ前後に発生する圧力差、流量に関わらず、常に通過させる構造を持つ。一方、第四の流路から、第一の流路、第二の流路、第三の流路に流出する方向の流れに関しては、流量もしくはバルブ前後に発生する圧力差が、ある特定の閾値以上の場合には遮断し、ある特定の閾値未満の場合には通過させる特性を持つ。上記したような特性を持たせるためのバルブ部の詳細な構成の例に関しては、後述する。

バルブの開閉動作を円滑にし、一定量の流体を量的に精度よく搬送するためには、第一から第三のバルブの上記閾値は、同一であることが好ましい。

本発明に適用される搬送装置では、流体が流れることにより発生する圧力差により開閉する受動バルブを用いている。したがって、バルブを駆動するためのアクチュエータや電源が不要であり、装置を小型化することが容易となる。また、バルブは流れに応じて駆動するので、流量計等により流量を監視してバルブ駆動のタイミングを制御する必要がない。

また、流れそのものによりバルブが開閉するので、送液手段には特に制限がない。圧力流であっても電気浸透流であっても、流量もしくはバルブ前後に発生する圧力差を閾値以上にすることによりバルブを閉状態にすることが可能である。送液手段としては、例えば、市販の液体クロマトグラフィ用ポンプ、シリンジポンプ、電気浸透ポンプ等が挙げられる。ポンプを駆動する場合は、圧力を制御するモードで駆動しても良いし、流量を制御するモードで駆動しても良い。また、送液手段としてピペット等を用いても良い。また流路内に設けたヒータで流体を加熱して、流体を駆動しても良い。

送液手段１１０及び分析部１１１の流路抵抗は、他の部分と比較して非常に高いことが好ましい。これにより、後に述べる（ａ）−２工程において、第四の流路１０４のうち、第一の交差部１０８及び第二の交差部１０９により分画された部分のみに、試料を導入することが可能となり、混合溶液を量的に精度良く分析部１１１に搬送することが可能になる。送液手段１１０もしくは分析部１１１の流路抵抗は低い場合は、第四の流路のうち第二の交差部と分析部１１１の間の部分もしくは第一の交差部と送液手段１１０の間の部分の流路幅を狭くすることにより流路抵抗を高くしても良い。また、例えば多孔質材料等の流路抵抗の高い材料を、第四の流路のうち第二の交差部と分析部１１１の間の部分もしくは第一の交差部と送液手段１１０の間の部分に挿入しても良い。

分析部は、例えばＨＰＬＣのカラム等の分離部及び分光光度計の検出部から構成されている。

尚、本発明に適用可能な流体搬送装置を構成する流路等は、流路の幅、深さを適宜設定し得るがこれらの一般的な値は、１μｍ〜５０００μｍの範囲から選択可能である。

（流体の混合及び搬送方法）
本発明の流体搬送方法は、流体を流すための流路と、前記流路の途中に位置し前記流体の流れを制御するためのバルブと、を備えた流体搬送装置を用いた流体搬送方法であって、
流路Ａと、流路Ａにそれぞれ一端が接続された少なくとも２つの流路Ｂ及び流路Ｃを有し、流路Ｂ及び流路Ｃの各流路の途中に前記バルブを備えた流体搬送装置を用意する工程、
流路Ａ、流路Ｂ及び流路Ｃに第一の流体を導入する工程、
流路Ｂの一端より流路Ａに接続された他端の方向に第二の流体、第三の流体の少なくとも一方の流体を導入し、流路Ｂの一端より前記一方の流体のみを導入する場合には、流路Ｂ、流路Ｃとは別に流路Ａに一端が接続された別の流路Ｄより他方の流体を導入し、流路Ｂと流路Ａの交差部と、流路Ｃと流路Ａの交差部とで規定される流路Ａの区間を第二の流体及び第三の流体で満たす工程、
及び流路Ａ中の第一の流体を移動させることで前記２つの交差部で規定される流路Ａの区間を満たした第二及び第三の流体を流路Ａの一端に搬送する工程、
を有することを特徴とする。

ここでは、図１及び図２を用いて、流路Ａ（第四の流路１０４）、流路Ｂ（第三の流路１０３）、流路Ｃ（第一の流路１０１）、流路Ｄ（第二の流路１０２）を用いた流体搬送方法の一例を説明するが、本発明は以下の説明に限定されるものではない。

（ａ）混合溶液の搬送
ここでは、バルブの流量閾値に着目して説明するが、流れによりバルブ前後に発生する差圧に注目して、各工程の送液条件（流量、発生圧力等）を決定しても同様な搬送が可能である。

（ａ）−１
この工程では、第一から第四の流路、第一及び第二の交差部、第一から第三のバルブ、分析部１１１を第一の液体１１２で満たす。

まず、送液手段１１０を用いて、各バルブにおける流量が、各バルブの閾値流量以下となるように、第一の液体を送液する。これにより、第一から第四の流路は第一の液体で満たされる。

このとき、分析部１１１の流路抵抗が、第一から第三の流路側と比較して大きく、分析部全体が、第一の液体で満たされない場合がある。このような場合は、上で述べた工程に続いて、第一から第三のバルブのおける流量が、各バルブの閾値流量より大きくなるように、送液手段１１０を用いて送液する。これにより、各バルブが閉状態となり、分析部が第一の液体で満たされる。分析部全体が第一の液体で満たされた後、送液を停止する。送液を停止することにより、第一から第三のバルブは開状態に復帰する。また、送液を停止しても、バルブが開状態に復帰しない場合は、例えば送液手段の圧力を開放する等の手段により、バルブを開状態に復帰しても良い。

この工程が完了した状態では、第一から第四の流路、第一及び第二の交差部、第一から第三のバルブ、分析部は第一の液体１１２で満たされている。また第一から第三のバルブは、開状態となっている（図２（ａ））。

（ａ）−２
次に、第二の流路１０２から第二の液体１１３を、第三の流路１０３から第三の液体１１４を導入する。第二の液体１１３及び第三の液体１１４は、図２（ｂ）に示したように、第二の交差部１０９で合流し、第四の流路１０４を第一の交差部１０８に向かって流れ、第一の交差部１０８で第一の流路１０１に流入した後、装置外部に排出される。このとき、上で述べたように、送液手段１１０及び分析部１１１は非常に流路抵抗が高いので、第二の液体１１３及び第三の液体１１４は、送液手段及び分析部側には流入しない。

このとき、第一のバルブ１０５に流れる流量が第一のバルブの閾値流量未満となるように、送液条件を設定する。これにより第一のバルブ１０５は開状態となる。また、第二のバルブ１０６及び第三のバルブ１０７に流れる流れの方向は、常に流れを通過させる方向なので、第二のバルブ１０６及び第三のバルブ１０７は開状態となる。

（ａ）−３
次に、送液手段１１０を用いて、各バルブにおける流量が、各バルブの閾値流量以上となるように、第一の液体を送液する。これにより、第一から第三のバルブは直ちに閉状態となり、第一の交差部１０８及び第二の交差部１０９に分画された部分にあった第二の液体１１３と第三の液体１１４の共存領域１１５は、図２（ｃ）に示すように、第一の液体１１２にはさまれた状態で切り出され、分析部１１１に搬送される。共存領域１１５内の第二の液体１１３と第三の液体１１４は、分析部１１１に到達するまでの間に、混合される。

尚、本発明においては、流路Ｂと流路Ａの交差部と、流路Ｃと流路Ａの交差部とで規定される流路Ａの区間を第二の流体及び第三の流体で満たす工程、及び流路Ａ中の第一の流体を移動させることで前記２つの交差部で規定される流路Ａの区間を満たした第二及び第三の流体を流路Ａの一端に搬送する工程を有している。本発明に規定する２つの交差部で規定される流路Ａの区間とは、流路Ｂ（例では第三の流路１０３）と流路Ａ（例では第四の流路１０４）の交差部と、流路Ｃ（例では第一の流路１０１）と流路Ａ（例では第四の流路１０４）の交差部で規定される区間である。ここで、交差部及び交差部で規定される区間は、各流路の設けられた位置によって厳密に規定されるものではなく、流路を流す流体の種類、流速、流す流体の量、流路の断面積等により多少変動する。そこで、交差部で規定される区間とは、第一の流体と、第二及び第三の流体の共存領域１１５と、の境界で規定される区間としてとらえることもできる。

本発明の流体搬送方法では、第二の液体及び第三の液体の種類を変えて、上記（ａ）−２〜（ａ）−３工程を繰り返すことにより、様々な組み合わせの液体どうしを混合し、分析部に送液することが可能である。

また、（ａ）−２工程において第二の液体及び第三の液体の導入の割合を変えることにより、（ａ）−３工程において分析部１１１に搬送される混合溶液の混合比を変えることが可能である。

特にレイノルズ数が小さい場合には、流れが層流となる。この場合、（ａ）−２工程において、第二の液体自体と第三の液体自体は混合せずに界面を形成する。該界面を介して第二の液体の成分と第三の液体の成分が相互拡散する。界面位置は、両液体の粘性の比及び導入量の比により決定される。

（ａ）−３工程において、分析部１１１に搬送される第二の液体と第三の液体の共存領域１１５の体積は、第四の流路のうち第二の交差部１０８及び第一の交差部１０９に分画される部分の体積と等しい。これにより、毎回、一定量の混合溶液を分析部１１１に搬送することが可能である。

上記（ａ）−３工程において、送液手段１１０の駆動条件は、第一から第三のバルブが閉状態となる駆動条件、すなわち各バルブにおける流量が各バルブの閾値流量以上となるような駆動条件であれば特に特に制限はない。

低レイノルズ数の流れの場合は、上記（ａ）−３工程における分析部１１１への搬送過程で、共存領域１１５内の第二の液体及び第三の液体の成分の混合、反応は相互拡散により進行する。混合、反応が完全に完了した状態の分析を実施するためには、共存領域１１５が分析部１１１に到達した段階で、混合、反応が完了している必要がある。このためには、第二の交差部１０９から分析部１１１までの流路長を十分に長くしても良い。また第一から第三のバルブが閉状態となる送液条件の範囲内で、十分に低い流量で第一の液体を送液しても良い。

また、第一から第三のバルブが閉状態となる送液条件の範囲内で、流量を変化させることにより、分析部１１１に共存領域１１５が到達した時点での、第二の液体と第三の液体の反応時間もしくは混合時間を変化させることが可能である。これにより、両液の混合過程、反応過程を分析することも可能である。

また、本発明の流体搬送方法を用いて混合溶液を分析する場合、二液の合流部から分析部までの全ての流路を混合溶液で満たす必要がない。したがって、混合比や混合する溶液の種類を変えて多数回の分析をする場合、試料の量を節約することができる。

また、（ａ）−２工程において第二の液体及び第三の液体として同一の液体を用いることも可能である。これにより本発明の流体搬送装置を、一定量の試料を切り出して分析部１１１に搬送する流体搬送装置として用いることができる。

（他の流路構成）
また、他の実施形態として、図８に示した流路及びバルブ構成とすることも可能である。図８は、第一の流路１０１（流路Ｃ）、第三の流路１０３（流路Ｂ）、第四の流路１０４（流路Ａ）と、第三の流路１０３（流路Ｂ）に接続された８０１及び８０２で構成される別の流路と、を用いる構成を示している。

この場合は、上記（ａ）−２に相当する工程において、第二の液体を流路８０１より、第三の液体を流路８０２より、それぞれ導入する。第二の液体と第三の液体は交差部８０２において合流し、流路１０３及びバルブ１０７を通って、交差部１０９、交差部１０８、流路１０１、バルブ１０５の順に流れる。それ以外に関しては上で述べた方法と同様にして、交差部１０８及び交差部１０９により分画された部分の第二の流体及び第三の流体を切り出して、分析部１１１に搬送することが可能である。図８で述べた構成には、設置するバルブの数が少なくて済むという利点がある。

さらに別の実施形態として、図９のように流路及びバルブを構成することも可能である。図９は、第一の流路１０１（流路Ｃ）、第二の流路（流路Ｄ）、第三の流路１０３（流路Ｂ）、第四の流路１０４（流路Ａ）と、流路９０１とを用いる構成を示している。

この場合は、上記（ａ）−２に相当する工程において、流路１０２より第二の液体、流路１０３より第三の液体をそれぞれ導入すると、両液体は、交差部１０９において合流し、第四の流路１０４を交差部１０８に向かって流れ、交差部１０８において、流路１０１及び流路９０１に分流する。分流した液体は、流路１０１及び流路９０１を介して外部に排出される。それ以外に関しては上で述べた方法と同様にして、交差部１０８及び交差部１０９により分画された部分の第二の流体及び第三の流体を切り出して、分析部１１１に搬送することが可能である。図９に示した構成では、第二の液体及び第三の液体が相互拡散により混合した部分が、流路１０１もしくは流路９０１のいずれかのみに流出した場合、他方の流路には一種類の液体のみが流出する。これにより、液体の回収及び再利用が容易になるという利点がある。

また図９の構成を用いた場合には、上記（ａ）−２に相当する工程において、例えば第二の液体を流路１０１から交差部１０８を介して流路９０１へ流し、第三の液体を流路１０２から交差部１０９を介して流路１０４に流しても良い。これにより、上記（ａ）−３に相当する工程において、交差部１０８にあった第二の液体と交差部１０９にあった第三の液体は、間に第一の流体があるので、接触することなく分析部に搬送される。この場合、例えば、第二の液体として標準試料を用い、第三の液体に分析したい試料も用いることにより、標準試料と分析試料を同一条件でほぼ同時に分析できるという利点がある。

（バルブの説明）
本発明に適用可能な流体搬送装置では、上述したように、流量が特定の値を越えた場合に流れを遮断するバルブを用いることができる。また、該バルブは、特定の方向の流れに関しては、流れによりバルブ前後に発生する圧力差、流量に関わらず、常に通過させる特性を持つ。図３は、そのようなバルブ構造の一例を示す概略図である。図３はあくまでも一例であり、バルブは流れの流量、もしくは流れにより発生する圧力差が特定の値を越えた場合に流れを遮断するという特性を有するバルブであれば良い。

図３（ａ）にはバルブ３００の上面図、図３（ｂ）には断面図を示す。バルブ内の流路は、細い流路３０３を有する領域と、太い流路３０４、３０５を有する領域に分けられる。遮蔽部は３０１に示す平板の形状であり、流路３０４と３０５の間に、バネ３０２によって弾性支持された平板３０１が流路と垂直に、そして流路３０３の入り口とある距離を保って設置されている。平板３０１の径は流路３０３の径よりも大きく、平板３０１が流路３０３に向かって変位して流路３０３と流路３０５の境界に達した場合、流体の流れを塞ぐことが可能となる。

図４（ａ）に、このバルブに流路３０４から流路３０３の向きに液体が流れる場合の経路を示す。このような流れにおいては、液体が流路３０５を流れる間に、その流量に応じた圧力の低下を生じる。これにより、平板３０１の表面では、流路３０４側と流路３０５側で圧力差が発生する。この圧力差が駆動力となり、平板３０１は流路３０３の入り口に向かって変位する。

図４（ｂ）は、流路３０４から流路３０５への液体の流量が閾値よりも低い場合を示す。平板３０１は、流路３０４側と流路３０５側の圧力差により変位するが、これを保持するバネ３０２の弾性による復元力により、流路３０３の入り口を塞ぐまでには至らない。従って、流体は図４（ｂ）に示すように、流路３０４から３０３へ抜けていく。液体の搬送を止めると、バネ３０２の復元力によって平板３０１は元の位置に戻る。

一方、図４（ｃ）は、流路３０４から流路３０３への液体の流量が閾値以上である場合を示す。平板３０１は、流路３０４側と流路３０５側の圧力差により変位し、やがて流路３０３の入り口を塞ぐ。これにより流体の流れは図４（ｃ）に示すように、平板３０１で遮断される。平板３０１は液体の圧力によって、流路３０３の入り口をシーリングした状態で保持され続ける。流路３０４側から印加されている圧力が取り除かれると、平板３０１はバネ３０２の復元力によって流路３０３の入り口から離れ、液体の搬送が止まったら元の位置に戻る。

また、このバルブは、流路３０３から流路３０４への流れに関しては常に通過させることが構造上明らかである。そのため、流路３０４から流路３０３への流量が閾値以上で動作させる場合に限れば、このバルブは逆止バルブと同じ機能を有することになる。

バルブの閾値流量（もしくは閾値圧力差）はバネ３０２のバネ定数、および平板３０１と流路３０３の距離及び平板３０１の直径、流路３０３の直径及びバルブを流れる流体の粘性により決定される。この内バネ定数は、バネ３０２の長さ、厚さ、本数、材質により決定される。これらを最適化することで、所望の閾値特性を有するバルブを設計することが出来る。また、バルブが閉じた状態の時、平板３０１は流体の圧力により保持されるため、高いシーリング効果が期待でき強度も高い。

また、液体の搬送を止めたときに、バネの復元力で平板３０１は元の位置に戻る。これにより、従来のマイクロバルブで問題となりやすかったＳｔｉｃｋｉｎｇ（はりつき）、すなわち平板が対向した基板に表面張力によりはりついたまま元に戻らないという問題が発生しにくい。

Ｓｔｉｃｋｉｎｇが特に問題とならないような場合には、バネ定数を弱くすることにより、液体の搬送を止めた後も、表面張力により平板３０１が元の位置に戻らずに閉状態が維持するように設計することも可能である。このような場合は、流路３０３側から圧力を印加することにより、平板３０１を元の位置に戻すことが可能である。上記のことは、平板３０１と流路３０３の距離を短くし、閉状態におけるバネの復元力を小さくすることによっても実現することが可能である。

バネ３０２および平板３０１の材質としては、分析する溶液に対して耐性があり、かつ弾性変形に対してある程度の耐性を持つ、例えば、シリコンが望ましい。そして、シリコーン等の樹脂を用いることも可能である。必要に応じて、表面をコーティングしても良い。また流路を形成するその他の基板に関しては、分析する溶液に対して耐性がある材料であれば特に制限がない。例えば、ガラス、シリコン、シリコーン樹脂等が挙げられる。また液体の搬送に電気浸透流を用いる場合は、電気浸透流を発生させる材料を選択することが可能である。

また、遮蔽部を平板状にし、対向する基板との間にギャップを形成することにより、該ギャップ間を流体が流れるときに圧力低下が発生し、遮蔽部の上下で圧力差が発生する。この圧力差により、遮蔽部が基板方向に移動する。また、遮蔽部の形状は、対向した開口を遮蔽することが可能な形状であれば特に制限はない。特に円形状が、流れの対称性の観点から好ましい。特に断面が円形の流路に対し、流路と中心を同一とする円形状の平板を配置することが好ましい。これにより、流路３０５における流体の流れおよび圧力分布が中心軸に対して対称となり、遮蔽部の変位を安定させることが可能となる。

図３に示したバルブは、平板３０１をバネ３０２で支持した形態となっている。このような形態の場合、平板をほとんど変形させずに、バネ部のみを変形させ、平板３０１の位置を変位させることも可能である。この場合は、平板３０１の変位が安定するので、安定した閾値圧力を得ることができる。バネ３０２のみを変形させる場合は、バネ定数が小さくなるように設計する。バネ３０２を薄く、長くすることにより、個々のバネのバネ定数は小さくなる。バネの本数を減らすことにより、バルブ全体のバネ定数を小さくしても良い。もしくは平板３０１を厚くすることにより平板を変形しにくい形状に設計しても良い。

また、平板３０１およびバネ３０２の形状を適切に設計することにより、平板、バネともに変形させることも可能である。この場合は、バネ３０２のバネ定数が大きくなるように設計する。もしくは平板を薄くすることにより変形しやすくしても良い。平板、バネともに変形する場合は、平板３０１の中心部が凹形状に変形して、外縁部に沿って流路３０３を塞ぐことが可能である。これにより、シール性の向上を期待することができる。

バネ３０２の断面形状としては、特に制限がない。図３に示したような断面が長方形の板形状でも良いし、湾曲した形状、蛇行形状としても良い。バネ部の厚さを平板部と異なる厚さにしても良い。

例えば、断面が円形の流路内に流路と中心を同一とする円形状の平板を支持する場合、バネ３０２による支持位置は、中心軸に対して対称な位置であることが好ましい。これにより、流路３０５における圧力分布が中心軸に対して対称となるとともに、平板の変位も対称となる。このことにより、安定した閾値特性が得られる。また閉状態におけるシール性も向上する。

複数のバネで平板を支持する場合は、バネ定数の等しい複数のバネで支持することが平板の変位の安定性の点で好ましい。また本項では、平板上の遮蔽部を板バネで弾性支持した形態を例にとり説明したが、本発明の実施形態はこれに制限されるものではない。例えば片持ち梁や両持ち梁のように、遮蔽部の片端もしくは両端を固定することにより弾性支持しても良い。

以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明する。なお、実施例中における、寸法、形状、材質、作製プロセス条件は一例であり、本発明の要件を満たす範囲内であれば、設計事項として任意に変更することが可能である。

本実施例では、二種類の液体を混合して、一定量の混合溶液を切り出して搬送可能な本発明に適用可能な液体搬送装置の例を示す。

図５に図１を用いて説明した液体搬送装置の具体的な例を示す。この液体搬送装置は、図５（ｂ）に示すように、流路基板５０１とバルブ基板５０２とからなる。図５（ａ）は、図１に示される流路パターンが形成される流路基板５０１の平面図であり、図５（ｂ）及び図５（ｃ）中のＡ−Ａ‘断面図に相当する。図５（ｂ）は、図５（ａ）中のＢ−Ｂ’間及びＢ”−Ｂ”’間の断面図、図５（ｃ）は図５（ａ）中のＣ−Ｃ‘間の断面図を示す。なお、図５では説明のため、実際より各流路の太さを強調して示してある。

流路基板５０１には、第一の流路５０３、第二の流路５０４、第三の流路５０５、第四の流路５０６が形成されている。各流路は、第一の交差部５０７及び第二の交差部５０８で交差している。

バルブ基板５０２には、第一のバルブ５０９、第二のバルブ５１０、第三のバルブ５１１が形成されている。また貫通穴５１２〜５１６が形成されている。貫通穴５１５は、チューブ（不図示）を介して、送液手段であるＨＰＬＣ用ポンプ（不図示）に接続されている。貫通穴５１６は、チューブ（不図示）を介して、分析部であるＨＰＬＣ用カラム（不図示）に接続されている。

各部の寸法の例は、以下のとおりである。流路基板５０１はパイレックス（登録商標）ガラスよりなり、その厚さは５００μｍである。バルブ基板５０２の主材料はシリコンであり、その厚さは７００μｍである。流路基板に形成される流路の幅は１００μｍ、深さは５０μｍである。バルブ基板に形成される貫通穴は直径１００μｍである。各バルブ内の太い流路で形成される領域の直径は３００μｍである。各バルブを形成する平板３０１は直径２００μｍ、厚さ５μｍで、バネ３０２は長さ５０μｍ、厚さ５μｍ、幅１０μｍである。流路３０５の長さ、すなわち変位のない状態の平板３０１と流路３０３の距離は、５μｍである。

室温で水を流した場合の各バルブの閾値流量は、約６０μｌ／ｍｉｎである。

流路基板は、フォトリソグラフィとＨＦ（ふっ酸）溶液によるエッチングにより作製する。バルブ基板は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板及びシリコン基板をマイクロマシーニング技術を用いて加工し、熱融着法により接合することにより作製する。上のように作製した流路基板とバルブ基板を陽極接合法を用いて接合することにより、図５に示した流体搬送装置が得られる。

次に、実施例１の装置を用いて、ＨＰＬＣ（ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｌｉｑｕｉｄ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）により、二種類の溶液を装置内で混合して分析する例を示す。

第一の液体である移動相溶液として、リン酸緩衝液とメタノールを７５：２５に混合した溶液（以下溶液Ａとする。）を用意する。また、分析対象サンプル溶液である第二の液体、第三の液体として、安息香酸、サリチル酸、フェノールをそれぞれ１００ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ＝７．０；ＫＨ２ ＰＯ４−Ｎａ２ ＨＰＯ４）に溶解させた三種類の水溶液（それぞれ溶液Ｂ、溶液Ｃ、溶液Ｄとする。）を用意する。また、分離部としては、ＯＤＳ（オクタデシル化シリカ）カラムを用いた逆相クロマトグラフィーカラムを用い、紫外光吸収検出器によって、分離された各成分の検出を行う。

まず、第二の液体として溶液Ｂ、第三の液体として溶液Ｃを用いて分析を実施する。以下にその手順を示す。

まず、第一から第四の流路、第一及び第二の交差部、第一から第三のバルブ、分析部を溶液Ａで満たす。すなわちＨＰＬＣ用ポンプ（不図示）を用いて、５０μｌ／ｍｉｎの流量で、溶液Ａを貫通穴５１５から送液する。この送液条件では、バルブ５０９〜５１１における流量は各バルブの閾値流量未満なので、各バルブは開状態のままである。一定時間の送液後、流路５０３〜５０６、バルブ５０９〜５１１及び貫通穴５１２〜５１６は溶液Ａで満たされる。一定時間経過後、５００μｌ／ｍｉｎの流量で、溶液Ａを貫通穴５１５から送液する。これによりバルブ５０９〜５１１における流量は各バルブの閾値流量以上となり、各バルブは閉状態となり、貫通穴５１６に接続されたＨＰＬＣカラム（不図示）も溶液Ａで満たされる。次に、送液を停止して、ＨＰＬＣ用ポンプのパージバルブを用いて、第四の流路内の圧力を開放することにより、バルブ５０９〜５１１を再び開状態に戻す。この状態で、第一から第四の流路、第一及び第二の交差部、第一から第三のバルブ、分析部は溶液Ａで満たされており、第一から第三のバルブは開状態となっている。

次に、貫通穴５１３及び貫通穴５１４に、それぞれチューブ（不図示）を介して、シリンジポンプ（不図示）を接続する。該シリンジポンプを用いて、貫通穴５１３より溶液Ｂを、貫通穴５１４より溶液Ｃを、それぞれ流量２５μｌ／ｍｉｎで送液する。この送液条件では、第一のバルブ５０９に流れる流量は、閾値流量未満なので、第一のバルブ５０９は開状態のままである。第二のバルブ５１０、第三のバルブ５１１に流れる流れは、常に通過可能な方向なので、第二のバルブ５１０、第三のバルブ５１１は開状態のままである。溶液Ｂ及び溶液Ｃは、図２（ｂ）に示したように、第二の交差部５０８（１０９）で合流し、第四の流路５０６（１０４）のうち第二の交差部と第一の交差部により分画された部分を流れ、第二の交差部で第一の流路５０３（１０１）に流入し、貫通穴５１２から装置外に排出される。

次に、ＨＰＬＣ用ポンプ（不図示）を用いて、５００μｌ／ｍｉｎの流量で、溶液Ａを貫通穴５１５から送液する。バルブ５０９〜５１１における流量は各バルブの閾値流量以上となり、各バルブは直ちに閉状態となる。図２（ｃ）に示したように、第四の流路５０６（１０４）のうち第二の交差部５０８（１０９）と第一の交差部５０７（１０８）により分画された部分にあった溶液Ｂ及び溶液Ｃは、切り取られて、相互拡散により混合しながら、ＨＰＬＣカラム（不図示）に搬送される。

次に、紫外光吸収検出器によって、ＨＰＬＣカラムにより分離された各成分の検出を行う。前記紫外光の波長は２８０ｎｍである。その結果、安息香酸、サリチル酸の溶離時間の差に基づいた二本の明瞭な出力信号ピークを得ることができる。

同様に、第二の液体として溶液Ｂ、第三の液体として溶液Ｄを用い、両溶液の混合、搬送、分離及び検出を実施する。その結果、安息香酸、フェノールの溶離時間の差に基づいた二本の明瞭な出力信号ピークを得ることができる。

同様に、第二の液体として溶液Ｃ、第三の液体として溶液Ｄを用い、両溶液の混合、搬送、分離及び検出を実施する。その結果、サリチル酸、フェノールの溶離時間の差に基づいた二本の明瞭な出力信号ピークを得ることができる。

次に、実施例１の装置を用いて、ＨＰＬＣ（ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｌｉｑｕｉｄ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）により、二種類の溶液を装置内で混合比を変えて混合し、分析する例を示す。

第一の液体である移動相溶液として、リン酸緩衝液とメタノールを７５：２５に混合した溶液（溶液Ａ）を用意する。第二の液体として、安息香酸を１００ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ＝７．０；ＫＨ２ ＰＯ４−Ｎａ２ ＨＰＯ４）に溶解させた水溶液（溶液Ｂ）を用意する。第三の液体として、サルチル酸を１００ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ＝７．０；ＫＨ２ ＰＯ４−Ｎａ２ ＨＰＯ４）に溶解させた水溶液（溶液Ｃ）を用意する。また、分離部としては、ＯＤＳ（オクタデシル化シリカ）カラムを用いた逆相クロマトグラフィーカラムを用い、紫外光吸収検出器によって、分離された各成分の検出を行う。

まず、実施例２と同様に、第一から第四の流路、第一及び第二の交差部、第一から第三のバルブ、分析部を溶液Ａで満たす。

次に実施例２と同様の手順で、貫通穴５１３より溶液Ｂを流量１０μｌ／ｍｉｎで、貫通穴５１４より溶液Ｃを流量４０μｌ／ｍｉｎで送液する。この送液条件では、第一のバルブ５０９に流れる流量は、閾値流量未満なので、第一のバルブ５０９は開状態のままである。第二のバルブ５１０、第三のバルブ５１１に流れる流れは、常に通過可能な方向なので、第二のバルブ、第三のバルブは開状態のままである。溶液Ｂ及び溶液Ｃは、図２（ｂ）に示したように、第二の交差部５０８（１０９）で合流し、第四の流路５０６（１０４）のうち第二の交差部５０８（１０９）と第一の交差部５０７（１０８）により分画された部分を流れ、第一の交差部で第一の流路５０３（１０１）に流入し、貫通穴５１２から装置外に排出される。

次に、ＨＰＬＣ用ポンプ（不図示）を用いて、５００μｌ／ｍｉｎの流量で、溶液Ａを貫通穴５１５から送液する。バルブ５０９〜５１１における流量は各バルブの閾値流量以上となり、各バルブは直ちに閉状態となる。図２（ｃ）に示したように、第四の流路５０６（１０４）のうち第二の交差部５０８（１０９）と第一の交差部５０７（１０８）により分画された部分にあった溶液Ｂ及び溶液Ｃは、切り取られて、相互拡散により混合しながら、ＨＰＬＣカラム（不図示）に搬送される。

次に、紫外光吸収検出器によって、ＨＰＬＣカラムにより分離された各成分の検出を行う。前記紫外光の波長は２８０ｎｍである。その結果、安息香酸、サリチル酸の溶離時間の差に基づいた二本の明瞭な出力信号ピークを得ることができる。

この状態で、ＨＰＬＣ用ポンプのパージバルブを用いて、第四の流路内の圧力を開放することにより、バルブ５０９〜５１１を再び開状態に戻す。次に、貫通穴５１３より溶液Ｂを流量２０μｌ／ｍｉｎで、貫通穴５１４より溶液Ｃを流量３０μｌ／ｍｉｎで送液し、溶液Ｂ及び溶液Ｂを混合、搬送、分離、検出する。

以下、同様の手順により、溶液Ｂ及び溶液Ｂの導入量を変化させて、混合、搬送、分離、検出を実施することにより、溶液Ｂ及び溶液Ｃの導入量の比に基づいた明瞭なピーク強度の変化を見ることができる。

本発明に適用可能な流体搬送装置の一実施形態を示す概念図である。 本発明の流体搬送方法の一実施形態を示す概念図である。 流体が流れることによって駆動するバルブの一実施形態を示す概念図である。 流体が流れることによって生じる圧力差によりバルブが駆動する工程を示す概念図である。 本発明に適用可能な液体搬送装置の実施例を示す概念図である。 従来の液体の搬送方法を示す概念図である。 従来の液体の搬送方法を示す概念図である。 本発明に適用可能な流体搬送装置の一実施形態を示す概念図である。 本発明に適用可能な流体搬送装置の一実施形態を示す概念図である。

符号の説明

１０１ 第一の流路（流路Ｃ）
１０２ 第二の流路（流路Ｄ）
１０３ 第三の流路（流路Ｂ）
１０４ 第四の流路（流路Ａ）
１０５ 第一のバルブ
１０６ 第二のバルブ
１０７ 第三のバルブ
１０８ 第一の交差部
１０９ 第二の交差部
１１０ 送液手段
１１１ 分析部
１１２ 第一の液体
１１３ 第二の液体
１１４ 第三の液体
１１５ 第二の液体と第三の液体の共存領域
３００ バルブ
３０１ 平板
３０２ バネ
３０３、３０４、３０５ 流路
５０１ 流路基板
５０２ バルブ基板
５０３ 第一の流路
５０４ 第二の流路
５０５ 第三の流路
５０６ 第四の流路
５０７ 第一の交差部
５０８ 第二の交差部
５０９ 第一のバルブ
５１０ 第二のバルブ
５１１ 第三のバルブ
５１２、５１３、５１４、５１５、５１６ 貫通穴
６０１、６０２、６０４ 流路
６０３ 合流部
６０５ 分析手段
７０１ サンプリングバルブ
７０２ 圧力発生源
７０３ ＨＰＬＣカラム
７０４ 試料ループ流路
７０５ 分析用流路
７０６ 液体試料
８０１、８０２ 流路
８０３ 交差部
９０１ 流路
９０２ バルブ

Claims (5)

1. 流体を流すための流路と、前記流路の途中に位置し前記流体の流れを制御するためのバルブと、を備えた流体搬送装置を用いた流体搬送方法であって、
   流路Ａと、流路Ａにそれぞれ一端が接続された少なくとも２つの流路Ｂ及び流路Ｃを有し、流路Ｂ及び流路Ｃの各流路の途中に前記バルブを備えた流体搬送装置を用意する工程、
   流路Ａ、流路Ｂ及び流路Ｃに第一の流体を導入する工程、
   流路Ｂの一端より流路Ａに接続された他端の方向に第二の流体、第三の流体の少なくとも一方の流体を導入し、流路Ｂの一端より前記一方の流体のみを導入する場合には、流路Ｂ、流路Ｃとは別に流路Ａに一端が接続された別の流路Ｄより他方の流体を導入し、流路Ｂと流路Ａの交差部と、流路Ｃと流路Ａの交差部とで規定される流路Ａの区間を第二の流体及び第三の流体で満たす工程、
   及び流路Ａ中の第一の流体を移動させることで前記２つの交差部で規定される流路Ａの区間を満たした第二及び第三の流体を流路Ａの一端に搬送する工程、
   を有することを特徴とする液体搬送方法。
2. 前記バルブは、該バルブが設けられた前記流路に流体が流れたときに前記バルブの上流側と下流側との間に生ずる圧力差に応じて作動するものであり、前記圧力差が所定の値未満のときは、前記バルブは流体を通過させ、前記圧力差が所定の値以上のときは、流体の流れを遮断するものであることを特徴とする請求項１に記載の流体搬送方法。
3. 前記バルブは、所定の方向に流体が流れるときにはこれを通過させ、前記所定の方向と逆方向に流れるときは、前記圧力差が前記所定の値未満のときはこれを通過させ、前記圧力差が所定の値以上のときはこれを遮断するものであることを特徴とする請求項２に記載の流体搬送方法。
4. 流路Ｃに第二及び第三の流体を導入した後、前記２つの交差部で規定される流路Ａの区間を満たした第二及び第三の流体を流路Ａの一端に搬送する工程を行うことを特徴とする請求項１に記載の流体搬送方法。
5. 流路Ｂより流路Ａに導入される第二及び第三の両方の流体は、流路Ｂの流路Ａに接続された端部とは逆の端部接続された別の流路を介して流路Ｂに導入されることを特徴とする請求項１に記載の流体搬送方法。
   

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