JP2006300145A - マイクロバルブ及び該マイクロバルブを有するマイクロチップ - Google Patents

Abstract

【課題】 安価に製造することができ、使用時に接触不良等の不具合が生じない信頼性の高いマイクロバルブを提供する。
【解決手段】 本発明のマイクロバルブは、液体の通過を阻止するように配置され、熱が与えられることにより流動状態となって液体を通過させる弁材と、外部から印加される交流磁界により誘導電流を生成し、この誘導電流により前記弁材を加熱する発熱部と、を備える。開弁の際、発熱部に磁界を印加すると、発熱部に誘導電流が発生してこの発熱部から熱が生成され、それにより弁材が加熱されて溶融又はゲル化する。これにより、前記液体が通過することができるようになる。このマイクロバルブは、製造時に高精度の加工を必要とせず、電極の製造工程も不要であるため、安価に製造することができる。更に、使用時に接触不良等の不具合が生じないため、信頼性が高い。
【選択図】 図９

Description

本発明は、バイオチップ、ＤＮＡ解析チップ等のマイクロ流路もしくはナノ流路を有するマイクロチップにおいて、試料や薬液など（以下、「試料等」）の移動を制御するマイクロバルブに関する。

近年、分析化学の分野ではμＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ）の研究が活発になされている。このような研究において用いられるマイクロチップは、化学分析、バイオ分析、ＤＮＡ解析などを、微量の試料等で短時間に、かつ安価に実施することができると共に、これまで必要とされていた多くの機器や恒温恒湿等の環境制御を必要とせず、更に分析作業の自動化を図ることが可能になるなど、多くの効果が得られる、と期待されている。

このマイクロチップを用いて化学分析、バイオ分析、ＤＮＡ解析等をする場合は試料等は液体であり、また、複数段階の化学処理が成される場合が多いため、その処理ステージ間に液体の移動を制限する微小なバルブ（マイクロバルブ）が必要になる。

このマイクロバルブについて、例えば、特許文献１には、「ピエゾ素子を用いて駆動するもの、電極により駆動するもの、外部に置かれたコンプレッサからのエアーを用いて駆動するもの、加熱による流体の膨張又は相変化を用いるものなど、既知のいずれのものを使用することもできる。」と多くの実施方法に関する記載がある。
また、特許文献２には「バルブとしてねじバルブを用いる以外に、電磁バルブ等、公知の種々のバルブを使用することもできる。」との記載がある。
更に、特許文献３には「バルブを開くためには、駆動流体用ポートから駆動流体用通路を経てメンブレン収容室に負圧を供給し、メンブレン収容室の上部のメンブレンをメンブレン収容室側（下方向）に変形させる」との記載がある。

特開2004-180555号公報（[0034], 図5） 特開2004-205372号公報（[0036], 図1） 特開2004-033919号公報（[0046], 図4〜図5）

マイクロチップが処理する試料等の量は微少であるため、マイクロバルブは閉時において僅かな液体の漏れも防ぐ必要がある。しかし、ピエゾ素子やコンプレッサ等を用いる機械的な開閉機構を有するマイクロバルブはこの漏れを防ぐために製造の際に精密な加工を必要とするため、このマイクロバルブを設けたマイクロチップは高価になりやすい。そのうえ、このようなマイクロチップはマイクロバルブを試料等の流路に接続するための機構が必要になる点でも高価になりやすい。また、ピエゾや電極による駆動及び加熱による流体の膨張や相変化を用いる例では、マイクロチップと外部の電気回路を接続する為に電極を必要とするため、同様にマイクロチップの製造時に工程が増え高価になりやすいうえ、接触不良等の問題も生じやすい。

本発明は、製造時に高い精度が要求されず、電極の製造などの工程が無く、且つコンプレッサ等の複雑な機器を必要としないことにより、価格を抑えることができ、接触不良等の不具合が生じ難いマイクロバルブ、及び該マイクロバルブを１ないし複数個有するマイクロチップを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために成された本発明に係るマイクロバルブは、
a) 液体の通過を阻止するように配置され、熱が与えられることにより流動状態となって前記液体を通過させる弁材と、
b) 外部から印加される交流磁界により誘導電流を生成し、該誘導電流により前記弁材を加熱する発熱部と、
を備えることを特徴とする。

本発明に係るマイクロバルブは、閉止状態では、流動性のない弁材により液体の通過を阻止する。発熱部により弁材を加熱することにより、弁材は流動状態に変化し、前記液体と共にマイクロバルブから流れ出す。これによりマイクロバルブは開弁し、前記液体はマイクロバルブを通過することができるようになる。

発熱部には、外部から交流磁界が印加されることにより誘導電流を生成し、その誘導電流により発熱するものを用いる。発熱部には導電性の部材を用いることができる。導電性部材は、外部から交流磁界が印加されると渦電流が生成される。その渦電流により導電性部材がジュール熱を生成する。また、発熱部には、コイルと、そのコイルに接続した電気抵抗体から成るものを用いることもできる。この場合、外部からコイルに交流磁界を印加することにより誘導電流が生成され、その誘導電流により電気抵抗体が発熱する。

発熱部に印加する交流磁界を生成するための磁界生成手段は、マイクロバルブではなくそれを使用する測定装置などに設けることができる。もちろん、マイクロバルブ自体に磁界生成手段を設けてもよい。磁界生成手段には通常の各種のコイルを用いることができる。

本発明に係るマイクロバルブは、誘導電流が流れることにより発熱部から熱を生成するため、電源と発熱部を接続するための接点（電極）をマイクロバルブに設ける必要がない。そのため、製造時に高精度の加工を必要とせず、安価に製造することができる。また、使用時に接触不良等の不具合が生じないため、信頼性が高い。従って、このマイクロバルブを利用したマイクロチップも安価で信頼性が高いものとなる。

本発明のマイクロバルブの詳細を、図１〜図１４を用いて説明する。図１は本発明によるマイクロバルブを３個利用したマイクロチップの例である。
本発明に係るマイクロバルブ１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、複数設けた処理槽１２〜１４の境界にあり、弁室内にパラフィンのように常温では固体であるが数十度に加熱すると液体になる物質、又は、常温においてはゲル状であるが加熱するとゾル化する物質で、且つ、当該マイクロチップが使用される生化学分析に影響を与えない物質（弁材）が充填されており、この弁材により各槽間の試料等の移動を遮断している。

図１に例示するマイクロチップにおいて、試料注入窓１０から注入された検出対象試料は、第一処理槽１２で不純物や不溶物が除去され、次にマイクロバルブ１１ａが開弁すると第二処理槽１３に移送されてＤＮＡ増幅等の処理がなされ、その必要時間経過後、マイクロバルブ１１ｂが開弁することにより第三処理槽１４に移送されて電気泳動法等によりＤＮＡの解析等がなされる。その後、マイクロバルブ１１ｃが開弁し、試料は第三処理槽１４から排出される。

また、図１に例示するマイクロチップでは、試料を試料注入窓１０から注入した後、マイクロバルブ１１ａ〜１１ｃを上記のように定められたシーケンスに従い開弁すると、遠心力場、重力場、加圧、毛細管現象等により順次試料及び薬剤を隣接槽に移動させ、処理を進行させる。外部に大掛かりな装置や設備・環境も必要とせず、専門家でなくても容易にかつ短時間にＤＮＡの検出が可能になる。本実施例では、マイクロバルブの開弁制御を確実且つ容易にする必要があるため、後述の電磁誘導加熱式ヒータを用いる。

本発明に係るマイクロバルブの製造方法を、図１のマイクロバルブ１１ａ付近におけるマイクロチップの断面X-X'を表す図２及び図３を用いて説明する。
図２は３層構造の例である。アクリル樹脂、ポリカーポネート樹脂、シリコン樹脂等のプラスチックやガラス、セラミック等の薄板でできた基材３０(図(A))の上に、フォトリソグラフィー技術やインクジェット等を利用して、マイクロ流路壁３１を貼り付け(B)、更にその上にカバー３２を貼り付けて形成する(C)。このとき、フォトリソグラフィー技術によりマイクロ流路壁３１を貼り付ける代わりに、マイクロ流路壁３１を構成する材料を基材３０の全面に塗布し、その後エッチング等により流路部分を除去することにより製造することもできる。

図３は２層構造の例である。金型を用いた樹脂の射出成型や同じく金型を用いた熱スタンプ法・熱プレス法により流路部分を形成した基材３４(図(A))の上に、カバー３２を貼り付けて製造する(B)。カバー３２の材料は樹脂、ガラスなど非導電性材料であれば材質は問わないが、試料を観察するために透明のものを用いることができる。

これらの製造方法において、弁材はカバー３２をマイクロ流路壁３１又は基材３４に貼り付ける前に、弁室１５に形成した方がよい。その際、弁材は加熱して必要な量を溶融又はゾル化して弁室１５に注入すればよい。また、各処理層に必要な試薬等の薬剤も、カバー３２をマイクロ流路壁３１又は基材３４に貼り付ける前に、その処理層に注入した方がよい。

更に、図２及び図３では、説明を容易にするために、ＤＮＡチップと同じ大きさの基材３０を使う例を示したが、実際に製造する場合は、縦横共に複数個のＤＮＡチップが並ぶ大きさの基材を用い、同時に多数個のＤＮＡチップを作り、その後、切断して分離する方が効率的である。

次にマイクロバルブの開くための加熱に用いる電磁誘導加熱式ヒータを、図２(C)及び図３(B)を用いて説明する。図２(C)及び図３(B)は、導電性の部材２０をカバー３２の内面に形成した例である。導電性部材２０は、金属薄膜の貼り付けとエッチング、金属の蒸着、金属のスパッタリング、金属のメッキ、導電性塗料の印刷などにより形成する。その際、導電性部材がＦｅ等の磁性体又は磁性合金であるとエネルギー効率がよいが、非磁性体であっても目的は達成できる。

図２(C)及び図３(B)では導電性部材２０をカバー３２の内面に形成する例を示したが、基材３０側、若しくはその双方に形成することも可能である。

次に、マイクロバルブに用いるヒータに関する実施例を、図４〜図１０を用いて説明する。
図４〜図７は図１のマイクロバルブ１１ａ〜１１ｃの付近を拡大し、カバー３２に透明な材料を用いて内部が見える状態を仮定した斜視図である。導電性部材２０は弁室１５の近傍に設ける。また、導電性部材２０には様々な形状のものを用いることができる。例えば、円盤状の導電性部材２０をカバー３２の内面に形成したり（図４）、基材３０側に形成したり（図５）することができる。あるいは、ドーナツ状の導電性部材２０をカバー３２の内面に形成したり（図６）、基材３０側に形成したり（図７）することもできる。

導電性部材は複数のマイクロバルブに対して１個、それらのマイクロバルブが有する複数の弁材をカバーするように形成してもよい。このマイクロバルブを使用する際には、開弁しようとするマイクロバルブの近傍にのみ磁界を印加することにより、そのマイクロバルブのみを開弁することができる。図８に、マイクロチップの全面に導電性部材を形成する例を示す。図８に右上から左下に向けて斜線を引いた部分が導電性部材を形成した領域である。また、マイクロチップ全面ではなく、全てのマイクロバルブを含む一部の領域に導電性部材を形成してもよい。その場合、金属薄膜の貼り付けとエッチング、金属の蒸着、金属のスパッタリング、金属のメッキ、導電性塗料の印刷などにより、この領域に導電性部材を形成するとよい。このように複数のマイクロバルブに対して１個だけ導電性部材を形成することにより、マイクロバルブ毎に独立した導電性部材を形成するよりも、マイクロチップを容易に製造することができる。

図９は電磁誘導部と電気抵抗体を分離して設けた例で、渦巻状の誘導電流発生コイル３３をカバー３２の表面に形成し、電気抵抗体２２をカバー３２の内面に形成し、その間をビアにより接続した例である。図１０も電磁誘導部と電気抵抗体を分離して設けた例であり、誘導電流発生コイル３３’の巻き数を1とすることにより、電気抵抗体２２と共にカバー３２の内面に形成した例である。

この２例のように、電磁誘導部と電気抵抗体が分離した構造を有する場合は、誘導電流により生じるジュール熱がその抵抗値に比例するため、電気抵抗体の抵抗値に比べ電磁誘導部の抵抗値は数分の１以下もしくは数十分の１以下にする方が望ましい。

図１１は、当該発明による電磁誘導方式と比較するために示す、有接点方式の発熱部の例である。電気抵抗体２２をカバー３２の内面に形成し、その電気抵抗体２２に給電する接点２１ａ、２１ｂをカバー３２の表面に形成し、その間をビアにより接続した例であるが、図４〜図７の例に比べビアを必要とし、更に接点部には酸化防止のメッキを必要となるなど、マイクロチップの製造工程が複雑になりやすい。更に、加熱時に、電子回路と電気抵抗体を接続する為に接点を必要とするため、接触不良等の障害が生じやすい。

なお、図４〜図１０には、弁室の形態として丸型と角型の２つの例を示したが、試料等を移送する遠心力場等の圧力により弁材が流出しない形状と大きさであれば、形状や大きさは自由に決定できる。

図１２は電磁誘導加熱用の交流磁界発生部の一例であり、円筒状のコア４０ａに磁界生成コイル４１を巻いたものである。交流電源４２から磁界生成コイル４１に２０ＫＨｚから数１００ＫＨｚの交流電流を印加することにより交流磁界が生じ、その磁界が上述の導電性部材あるいは誘導電流発生コイル３３を通過することにより、導電性部材２０あるいは誘導電流発生コイル３３に交流電流が生じる。この電流により、導電性部材２０の抵抗においてジュール熱が発生する。なお、図１２では円筒状のコア４０ａを例として示したが、コア４０ａの形状は角柱など、任意に決定できる。

図１３は、一般にポットコアと呼ばれる形状のコア４０ｂを用いた交流磁界発生部の一例である。この交流磁界発生部の機能は図１２のものと同じであるが、図１２のものよりも効率よくエネルギーを供給することができる。

図１４は、一般にトロイダルコアと呼ばれるコア４０ｃの一部に欠損部４３を設けた交流磁界発生部の一例である。導電性部材２０又は誘導電流発生コイル３３はこの欠損部４３に配置する。この交流磁界発生部は上述した２例よりも更に効率良くエネルギーを供給することのできる例である。ここでは円形の断面を有するコア４０ｃを例として示したが、コア４０ｃの形状は任意に決定できる。

３段構造を持つマイクロチップに本発明のマイクロバルブを設けた例を示す断面図。 本発明のマイクロバルブの製造方法の一例を示す断面図。 本発明のマイクロバルブの製造方法の他の例を示す断面図。 円盤状の導電性部材をカバーの内面に形成した例を示す斜視図。 円盤状の導電性部材を基材側に形成した例を示す斜視図。 ドーナツ状の導電性部材をカバーの内面に形成した例を示す斜視図。 ドーナツ状の導電性部材を基材側に形成した例を示す斜視図。 マイクロチップの全面に導電性部材を形成した例を示す断面図。 電気抵抗体とは別に複数ターンのコイルを形成した例を示す斜視図。 電気抵抗体とは別に１ターンのコイルを形成した例を示す斜視図。 比較例である非電磁誘導加熱方式を用いた例を示す斜視図。 柱状コアとコイルを用いた交流磁界発生部の例を示す斜視図。 ポットコアとコイルを用いた交流磁界発生部の例を示す斜視図。 トロイダルコアとコイルを用いた交流磁界発生部の例を示す斜視図。

符号の説明

１０…試料注入窓
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ…マイクロバルブ
１２…第一処理槽
１３…第二処理槽
１４…第三処理槽
１５…弁室
２０…導電性部材
２１ａ、２１ｂ…接点
２２…電気抵抗体
３０、３４…基材
３１…マイクロ流路壁
３２…カバー
３３…誘導電流発生コイル
４０ａ…柱状コア
４０ｂ…ポットコアコア
４０ｃ…トロイダルコア
４１…磁界生成コイル
４２…交流電源
４３…欠損部

Claims (6)

1. a) 液体の通過を阻止するように配置され、熱が与えられることにより流動状態となって前記液体を通過させる弁材と、
   b) 外部から印加される交流磁界により誘導電流を生成し、該誘導電流により前記弁材を加熱する発熱部と、
   を備えることを特徴とするマイクロバルブ。
2. 前記発熱部が前記交流磁界により渦電流を生成し、該渦電流によりジュール熱を生成する導電性の部材であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブ。
3. １個の導電性部材が複数の弁材をカバーするように形成されていることを特徴とする請求項２に記載のマイクロバルブ。
4. 前記発熱部がコイルと該コイルに接続した電気抵抗体から成るものであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブ。
5. 更に前記交流磁界を生成する磁界生成手段を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロバルブ。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のマイクロバルブを液体の流路中に有することを特徴とするマイクロチップ。

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