JP3732159B2 - 基板内における流体処理方法及びその装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄板形状の基板内で分析及び合成などの過程で必要とされる微量の流体を移動させる方法及びその装置に係る。詳しくは、一方の面に微細チャネルが形成された弾性材質の基板に他の基板を接合させた構造の基板を構成して、その基板の外部から機械的な圧力を加えるか、または、機械的圧力を加えた状態で圧力が加わる位置を微細チャネルの長さ方向に移動させることで、流体を移動させる方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、科学技術の発展に伴って多様な分野で小型化及び自動化に対する関心が高まっている。小型化は、装置のサイズ及び重量を低減させるだけでなく、装置を作動させるための電力消耗を低減できる。したがって、携帯用実験装備の開発が容易になると共に、実験に必要な試料や試薬の量も画期的に低減させることができ、高価な試料や試薬を使用する多様な実験を経済的に行うことができる。また、自動化は、実験で行われる数多くの過程を人間以外の機械的機構により自動的に行い得るメリットがある。すなわち、実験室で行われる各実験は、それぞれ独立的な過程を並列的にまたは順次に行うものがほとんどで、それら各過程は大量の労働力及び時間を必要とするため、実験の連続性及び効率性が大幅に低下するだけでなく、実験の不正確性が発生する原因となることがある。従って、実験の自動化が実現されると、実験の各過程が人間でなく機械的な手段により行われるので、実験の連続性及び効率性が大幅に増大し、労働力及び時間が大きく節減されると共に、実験の正確度が高くなる。
【０００３】
一方、半導体技術の発展に伴って微細加工技術が向上されることで、小型化及び自動化を同時に行うことに対する努力が増大され、例えば、ラブオンチップ（Lab-on-a-chip）として、半導体分野で広用されるフォトリソグラフィ技術や微細加工技術を利用し、ガラス、シリコンまたはプラスチックからなる数ｃｍ２の大きさのチップに、多様な装置を集積させた化学マイクロプロセッサーが開発されて、高速、高効率及び低費用の自動化された実験が可能となっている（Kovacs, Anal. Chem. 68(1996)407A-412A）。このラブオンチップように一個のチップ内に実験過程で必要な複数の装置を集積させることで小型化させ、チップ内で実験をするための各過程を連続的に行うように自動化すると、多様な分野で実験に必要な労働力及び費用を節減して一層効率的に実験を行うことができる。
【０００４】
また、新しい技術的戦略として、新薬の探索や新物質の開発分野で数十万個の化合物ライブラリーを利用した確率的な接近方法がかなり威力を発揮しているため、組み合せ化学技法を利用した化合物ライブラリーを構築して、それらを分析する研究が進行されており、このような研究を行うためにラブオンチップを利用して多種の試料を同時に合成または分析する高速、高効率及び低費の小型化及び自動化された実験方法を開発しようとする努力が行われている。
【０００５】
このような小型化及び自動化の進行に伴って溶液を移動させるために利用された既存の方法は、多様な理由で極微量の溶液の取扱いには適用し得ない。すなわち、最小移動量や移動条件などの多くの要素が極微量の溶液移動には適合せず、多量の溶液移動には困難でなかった多くの要因が極微量の溶液移動には深刻な問題を起こすこともある。例えば、チャネルに溶液を流す場合、移動される溶液とチャネルの内壁間で発生する表面張力との影響によって溶液が使用者の望まない方向に移動したり、または、效果的に移動させられないことがある。また、チャネルの内部で溶液が流れるときに発生する圧力の増加によって移動に必要な圧力が大幅に増加したり、若しくは、チャネル内で溶液が蒸発されて正確な量の移動が困難になるという問題があった。
【０００６】
一般に、極微量の溶液を微細チャネルで移動する方法としては、電場を利用する方法が広く用いられている。この方法は、溶液の充填された微細チャネルの両端に電圧をかけたときに発生する毛細管電気浸透現象を利用することで、ポンプまたはバルブを用いずに溶液の流れを制御し得るだけでなく、毛細管電気泳動を利用して試料を分離し得るため、チップ上で試料を分析することができる（Harrison, Science 261(1993)895-897;Jacobson, Anal. Chem. 66(1994)4127-4132;Li, Anal. Chem. 69(1997)1564-1568;Kopp, Science 280(1998)1046-1048）。このような電場を利用する方法は、装置が簡単であるため、ラブオンチップのように微細チャネル内に溶液を流す分野では最も広く使用されている方法である。
【０００７】
その他にも、極微量の溶液を精密に移動するための方法として、外部のマイクロポンプを微細チャネルに連結して溶液を移動させる方法が挙げられる。そのために連動式ポンプ（peristaltic pump）、注射器ポンプ、または、ＨＰＬＣポンプが利用することが知られ、若しくは、圧縮空気を利用する（Hosokawa, Anal. Chem. 72(1999)4781-4785）方法なども知られている。
【０００８】
また、外部のマイクロポンプをチップ内部の微細チャネルに連結させる方法の他に、チップ内にマイクロポンプを直接実装して溶液を移動させる方法も知られている。その例としては、チップ内部にダイヤフラムを形成して圧電素子を利用したものや（Andersson, Sens. Actuators B72(2001)259-265;Nguyen, Sens. Actuator A(2001), 104-111）、空気圧（Scomburg, J. Micromech. Microeng. 3(1993)216-218）を利用して前記ダイヤフラムを振動させることで溶液を移動させるオンチップ型隔膜ポンプ、チャネル内部における電気化学的反応によりチャネルの内部に空気気泡を形成して溶液を移動させる方法（Bhm, Proceedings of the Transducers, Sendai, Japan, 1999. pp. 880-881）などが報告されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
然るに、このような従来の極微量の溶液を微細チャネルで移動させる方法においては、次のような不都合な点があった。
【００１０】
先ず、電場を利用する方法においては、電場を利用して溶液を流すので、一つ以上のチャネルが複雑に連結されている場合は、溶液の移動を調節することが困難で、移動する溶液の酸度（ｐＨ）、イオン強度及び粘性の物理的特性に溶液の流れが大きな影響を受けるため、多種の溶液を移動させる場合は正確な移動が困難若しくは不可能となる。
【００１１】
また、外部のマイクロポンプを微細チャネルに連結して溶液を移動させる方法においては、ほとんどがマイクロリットル（μｌ：１０−６ｌ）水準の溶液を移動させるとき利用されるものであって、ラブオンチップのように極微量の溶液を取扱う分野で要求されるナノリットル（ｎｌ：１０−９ｌ）またはピコリットル（ｐｌ：１０−１２ｌ）水準の極微量の溶液を效果的に移動させるには適さず、高価である。且つ、外部のマイクロポンプをラブオンチップの微細チャネルに連結するためには、ポンプから微細チャネルまで流体を充填させなければならないので試薬及び試料の無駄が多く、溶液の移動のための圧力がチップの外部で発生するので、チップと外部のマイクロポンプとが連結される部位で流体が漏れることがあり、精巧な設計及び組立が必要であるという不都合な点がった。
【００１２】
更に、チップ内にマイクロポンプを直接実装して溶液を移動させる方法では、溶液を移動させるための別途の構造や装置をチップの内部に実装しなければならないため、チップの製作が困難で、電気浸透圧ポンプと同様に流される溶液の物理的な性質に影響を受け、多様な溶液を移動させる装置としては適合しないという不都合な点があった。
【００１３】
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもので、流体を移動させるための機械的構造を内部に別に具備せずに微細チャネルの形成された弾性高分子材質の基板を備えた基板内で、流体の物理的性質にかかわらずに多様な種類の流体を所定速度で移動させ、かつ所定位置に運んだり、さらには適宜流体を処理する方法を提供することを目的とする。
【００１４】
また、本発明の他の目的は、内部に一つ以上の微細チャネルを有する弾性高分子材質の基板を備えた基板を提供しようとする。
【００１５】
且つ、本発明のその他の目的は、基板内で流体の物理的性質にかかわらずに多様な種類の流体を所定速度で移動させたり、所定位置に運んだり、あるいは、流体を適宜処理することができる装置を提供しようとするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、本発明に係る基板内における流体移動方法の原理を図１に基づいて説明する。弾性高分子材質の基板２０の内部に形成された微細チャネル２２に、基板２０の外部からその基板２０と直接接触する機械的装置で圧力を加えてチャネルを塞いだ状態で、外部から圧力を加える部分を微細チャネルの長さ方向に移動させることによって、微細チャネルの内部に流入された流体Ｆを所望の方向に押すか（図１（Ａ））、所望の方向から引っ張って（図１（Ｂ））移動させる。
【００１７】
上述した原理を利用して基板の外部から機械的圧力を加える部位の移動速度及び／または移動距離を調節することで、微細チャネルの内部で極微量の流体Ｆの移動速度及び／または移動位置を精密に調整することができる。
【００１８】
このような処理は注射器ポンプの作用と類似するが、注射器ポンプの場合は、流体Ｆを移動させて処理する部分と注射器とを連結するためのチューブが別途に必要であるに対し、本発明においては、流体Ｆを移動させて処理する部分と、連結チューブ及び注射器ポンプの機能を行う部分の全てを一つの基板２０内に集積し得るというメリットがある。
【００１９】
外部から微細チャネルに圧力を加える部分を微細チャネルの長さ方向に沿って移動させるためには、圧力を加える手段を移動させる方法を使用するか、または、圧力を加える手段の位置を固定させて基板自体を移動させてもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に対し、図面を用いて説明する。
【００２１】
１．基板内で溶液を処理する装置
本発明に係る基板内の極微量の溶液を精密に処理する装置の１実施形態における微細チャネルチップである基板２０は、微細チャネル２２を有する上部基板２１と平板状の下部基板２３とで構成されている。いずれも弾性高分子材質からなる。微細チャネルは幅１００ｎｍ〜１０ｍｍ、深さ１０ｎｍ〜１ｍｍ程度に形成させることが望ましい。
この基板２０を用いた本実施形態装置は、図２に示すように、小型ローラー１０を使用する。この小型ローラー１０は、基板２０内部の微細チャネルに機械的な圧力を加えるために手動式のｚ軸移動台３８に連結され、小型ローラ固定台３２に取り付けられている。小型ローラー１０は、基板２０の表面から基板２０に対して垂直方向に微細チャネルに機械的圧力を加えて基板２０内部の微細チャネル２２を塞ぐようにしている。その塞いだ部分を動かすことによって微細チャネル２２内の液体を移動させるようになっている。微細チャネルを塞いでいる部分を精密に移動させるために、小型ローラー１０が装着されたｚ軸移動台３８をｘ軸移動台に固定させている。このｘ軸移動台は、最小移動距離が１μｍ以下である線形移動装置３４に連結されている。本実施形態はこのｘ軸移動台により小型ローラー１０の移動を制御するようにしている。図２においては、移動時に基板２０と接触する部分の摩擦を減少させるために基板２０に機械的圧力を加える手段としてローラーを使用しているが、機械的摩擦が問題にならない範囲内で基板に圧力を加える他の固体構造物Ｓ（図１）を使用することも可能で、また、摩擦を減少させるために固体構造物Ｓと基板２０との接触面に潤滑物質を使用することもできる。さらに、固体構造物Ｓを基板２０上に垂直に下降させて、基板２０に機械的圧力を加える手段としては、上述したような手動式の他にも、モータ、ポンプ及び電磁石などを利用して自動化することもできる。
【００２２】
また、このように固体構造物Ｓを使用して基板２０に圧力を加える場合、基板２０の弾性によってチャネルを解放する復元力を発生させるようにしている。ｚ軸移動台３８は、ボルト及びナットの機械的支持力を利用して基板２０の復元力に抗させるようにしているが、圧力を加える部分の微細チャネルを継続的に塞がれた状態に維持させる力として、その他に、スプリングまたは気圧ピストンなどを使用するか、あるいは、電磁石を使用した電磁気力を利用することもできる。
【００２３】
微細チャネルを機械的に押圧する方法は、図１及び図２に示したように、シリンダーまたは小型ローラー１０を利用して小面積を押圧する。しかし、この方法は、微細チャネル２２に溶液が流れる時に発生する圧力が大きいと、微細チャネルの押されている部分から溶液が漏れる現象が発生して、溶液を定量的に移動することが困難になることがある。その際、図３に示したように、機械的圧力による微細チャネル２２を押圧す面積を拡大することで、微細チャネル２２の内部から溶液が漏れる現象を防止することができる。
【００２４】
図４は、微細チャネルを有する基板の製造工程の一例を示した工程図である。弾性高分子の一種のポリジメチルシロキサン（以下、ＰＤＭＳと略称す）を利用して微細チャネルを有する基板を製作している。
【００２５】
本発明実施形態に係る微細チャネルを有する基板の製造方法は、先ず、図４（Ａ）〜（Ｄ）に示したように、半導体製作工程で使用されるフォトリソグラフィ技術を利用して、シリコンウェハにチャネルの形状が突出した型を形成し、図４（Ｅ）に示したように、型上にＰＤＭＳ板が形成されるプレポリマー溶液（Sylgard 184、Dow Corning、Ａ：Ｂ＝１０：１）を注いだ後、７５℃のオーブンに入れて固める。
【００２６】
次いで、図４（Ｆ）に示したように、固定されたＰＤＭＳ板の型に形成された微細チャネル形態が形成されている部分の周辺を四角状に切取った後、微細チャネルの両方端に直径３ｍｍ程度の孔を穿孔し、図４（Ｇ）に示したように、ＰＤＭＳ板の溝が形成された面の下部にＰＤＭＳからなる他の基板を接合させて、溝の部分が毛細管形態の微細チャネルになるように形成した。
【００２７】
微細チャネルを形成する基板としては、ＰＤＭＳに限定されずに、機械的圧力を利用して微細チャネルを塞ぐことができるあらゆる材料を使用することができる。その例としては、弾性を有するゴム、シリコン系ゴムまたはプラスチックなどの高分子材料を挙げることができる。
【００２８】
また、基板に微細チャネルを形成する方法としては、上述したＰＤＭＳのように型に注いだ後固形化させる方法だけでなく、平らな板材を型で圧して形成するプレス方法、ホットエンボス方法及び機械的手段またはレーザーを利用して光や熱を加えて加工する方法などを使用することができる。
【００２９】
本発明に係る基板は、溶液移動手段が基板の内部に入っていないので、溶液を移動させるための構造物を基板内に装着する組立過程が不必要になるため、基板の製作を簡便に行うことができる。また、溶液の材質にかかわらず同じ流体移動技術を適用し得るため、使用される溶液によって設計を変化することなくあらゆる溶液に対応させることができる。
【００３０】
図５は、ローラーを利用して微細チャネルの内部の溶液を移動させる過程を示した説明図で、先ず、図５（Ａ）に示したように、導入部３０を通って注入される溶液は、毛細管現象及び加圧または減圧を利用した気圧差によって微細チャネル２２の内部に流入される。
【００３１】
次いで、図５（Ｂ）に示したように、溶液が流入された微細チャネル２２をローラーで押圧しながらローラーを微細チャネル２２の長手方向に移動させると、ローラーの移動距離に比例して微細チャネル２２の内部の溶液が移動する。移動させようとする溶液の体積及び流速によって多様な形態の微細チャネル２２を使用することができる。
【００３２】
本装置において移動される溶液の体積は、微細チャネル２２の大きさ及び小型ローラー１０の移動距離によって決定される。例えば、チャネルの幅及び深さがそれぞれ１μｍ、１μｍの微細チャネルが形成された基板２０を使用して固体構造物Ｓの速度を１秒当たりに１μｍ〜１０ｍｍに調節すると、溶液の流れ速度を１μｍ×１μｍ×１μｍ／ｓｅｃ＝１μｍ３／ｓｅｃである１ｆｌ／ｓｅｃ（１ｆｌ＝１０−１５ｌ）から１μｍ×１μｍ×１０ｍｍ／ｓｅｃ＝１００００μｍ３／ｓｅｃ、すなわち、１０ｐｌ／ｓｅｃ（１ｐｌ＝１０−１２ｌ）の間で調節することができる。また、チャネルの幅１０ｍｍ及び深さ１０ｍｍの微細チャネル２２が形成された基板２０を使用すると、溶液の流れ速度を０．１μｌ／ｓｅｃ〜１ｍｌ／ｓｅｃの間で調節することができる。
【００３３】
このように用途に応じて微細チャネル２２の幅及び深さ、または、ローラー１０の移動速度を調節すると、溶液の流れ速度の範囲内において溶液の流れ速度を調節することができる。
【００３４】
２． 単一チャネル基板を利用して基板内で溶液を移動させる装置
図２に示したような装置に単一チャネル基板を適用して溶液を移動させる装置を構成した。基板固定台４０に図６に示したような幅５０μｍ、深さ３０μｍ、長さ４ｃｍの直線状の微細チャネル２２を有する単一チャネル基板２０を載せる。ここで、単一チャネル基板２０は、溶液の移動距離を測定するために微細チャネル２２の側方に目盛りが切削形成され、電荷結合素子カメラに連結されたモニターにより微細チャネル２２内の溶液と空気との境界面及び目盛りを観察することができる。メモリは図示のようにチャネルの中間部に設けるだけでもよい。
【００３５】
基板２０内部の溶液導入部３０に赤色の水溶性インキを充填させ、手動式ｚ軸移動台３８を利用して小型ローラー１０を基板２０へ降ろして基板２０内部の微細チャネル２２に圧力を加えた後、ｘ軸移動台に連結された線形移動装置３４により小型ローラー１０を溶液排出部３１の方向に移動させる。移動が終了した後、ｚ軸移動台３８を利用して小型ローラー１０を上昇させて基板２０を押さないようにした後、ｘ軸移動台に連結された線形移動装置３４を利用して小型ローラー１０を最初の位置に戻す。このような過程を３〜４回繰り返して赤色インキを微細チャネル２２の目盛り部まで移動させる。その後、図７に示したように、多様な速度で小型ローラー１０を移動させて、溶液が所定間隔を有する目盛りの間を通過する時間を測定した。このとき、目盛りの間の距離は、小型ローラー１０の移動速度に応じて異なるようにできる。
【００３６】
図８は、多様な速度で小型ローラー１０を移動させた時の赤色インキの移動速度を示したグラフである。図示されたように、溶液の移動速度は、小型ローラー１０の移動速度に正確に比例することが分かる。つまり、溶液の流れ速度は、ローラー１０が押圧する微細チャネル２２内部の体積に対応する。一つの微細チャネル２２内で全ての部分の幅及び深さが同様である必要はない。
【００３７】
極微量の溶液移動に使用されるほとんどの装置においては、多様な種類の溶液の移動速度を正確に調節するために、溶液の物理的特性によって溶液を流す条件を変化させなければならない。例えば、電気浸透現象を利用して溶液を流す場合、溶液の組成によって電気浸透流れの速度が変化する。これに対して、本発明の場合は、微細チャネルが押圧されて溶液が押されるか引っ張られるため、移動させようとする溶液の物理的性質にかかわらずに移動させることが可能で、移動速度も機械的圧力により微細チャネルを塞いだ部分の移動速度によって決定されるので、溶液の種類が変わっても溶液の移動速度を予測することができる。
【００３８】
図９は、幅５０μｍ、深さ３０μｍの微細チャネル２２が形成された基板２０に小型ローラー１０の速度を２００μｍ／ｓｅｃにして多様な溶液を移動させた結果を示したもので、図示されたように、本発明に係る装置を使用する場合、溶液の種類にかかわらず小型ローラー１０の移動速度が同じであれば溶液の移動速度も同じであることが分かる。
【００３９】
３．基板内で溶液を所定位置に運ぶ方法
本発明においては、基板の内部で溶液を特定速度で移動させるだけでなく、基板の内部で溶液を特定位置まで運ぶことも可能である。すなわち、基板の内部における溶液の位置を調整することができる。実験過程は前記２例の記載のものと類似するが、相違点としては、小型ローラー１０の移動距離を正確に調節して移動させた後、溶液と空気層との境界面が移動した距離を目盛りにより測定することである。
【００４０】
図１０は、小型ローラー１０の移動距離に対応する移動体積を示したグラフで、移動される溶液の体積は、小型ローラー１０の移動距離によって調節できることが示されている。
【００４１】
このような原理を利用して溶液の体積を測定することも可能である。すなわち、微細チャネル２２の断面積（幅及び深さ）は微細チャネル２２の製作時に把握される値であるから、溶液が充填された微細チャネル２２の長さを測定すると溶液の体積を計算することができる。測定しようとする溶液の前方端及び後方端が空気を含む気体、混合されない溶液またはオイルなどにより区分されている状態で、電荷結合素子カメラなどの映像機器を使用して長さを測定するか、または、微細チャネル２２の固定された１ヵ所に発光素子により光を照らした状態で溶液の前方端及び後方端における光の散乱による光量変化を受光素子を利用して測定して、前方端から後端まで溶液を移動させた距離、すなわち、小型ローラー１０の移動距離によって溶液の長さを測定して溶液の体積を計算することができる。
【００４２】
４．微細チャネルの形成された基板内で溶液を処理する方法
微細チャネル２２が形成された基板２０は平面として形成されるので、複数の微細チャネル２２を基板２０内に製作することが可能である。このように製作された複数の微細チャネル２２を有する基板２０内で異なる溶液の混合、混合による溶液の希釈、化学反応及び／または結合反応を行うか、または、溶液を所定体積に分割することができると共に、溶液移動方向の調節、溶液内に存在する特定物質の抽出、及び／または化合物の分離、精製、濃縮及び／または滴定などの多様な処理を行うことができる。
【００４３】
図１１は、本発明に係る２種類の溶液を混合する方法を示したもので、基板２０上に形成された２つの微細チャネル２２が終端部で１つに合わされるように設計されている。
【００４４】
図１１（Ａ）に示したように、２つの微細チャネル２２の各端部から溶液１（Ｆ１）及び溶液２（Ｆ２）をそれぞれ流入させた後、図１１（Ｂ）に示したように、それぞれの微細チャネル２２から溶液を移動させると、それらの微細チャネル２２が合流する部分で溶液１（Ｆ１）と溶液２（Ｆ２）とが混合される。図においては２個のローラーを使用するように構成されているが、１個のローラーにより二つ以上の微細チャネル２２内部の溶液を同時に移動させることもできる。
【００４５】
溶液の混合率は、溶液１（Ｆ１）及び溶液２（Ｆ２）を押す速度を変えるか、溶液１（Ｆ１）及び溶液２（Ｆ２）が流入される各微細チャネル２２の断面積（幅×深さ）の比率を変えるか、または、双方の方法を使用して調節することができる。
【００４６】
また、溶液２（Ｆ２）を溶液１（Ｆ１）の溶媒とすることで溶液１（Ｆ１）を希釈することができる。両溶液が合わせられた後の微細チャネル内部の溶液は、溶液１（Ｆ１）が希釈された状態となる。両溶液内に互いに反応する物質が入っている場合、混合反応を行うことができる。可能な反応例としては、化学反応、酵素と気質間の生化学反応及びレセプターとリガンドとの結合反応など、溶液状態で発生される全ての反応が包含される。
【００４７】
本発明においては２種類の溶液の処理についてだけ記述しているが、その他にも、微細チャネルの構造によって２種類以上の溶液の処理についても多様に適用することができる。また、一つの基板内で１つの処理のみを行うのではなく、複数の微細チャネルを有する一つの基板と、基板に製作された微細チャネルの複数の溶液移動部分とを組み合わせることで、複数の処理を順次に、または、並列的にできるように構成することができる。
【００４８】
装置内で反応を行わせるためには多様な種類の溶液を取扱う必要がある。このとき、反応に用いられる溶液の反応性が大きい場合は、溶液の移動時に装置の損傷または溶液の汚染などの問題が発生することもある。
【００４９】
しかし、本発明に係る装置は、溶液を移動させる機械的手段が溶液と直接接触しないので、装置の損傷または移動される溶液の汚染問題が発生しない。且つ、溶液の物理的特性の差にかかわらずに同一体積の溶液を移動し得るので、極微量の試料を反応させるラブオンチップ分野で効果的に利用することができる。
【００５０】
本発明に係る流体の処理原理は、微量の溶液を扱うラブオンチップ技術が応用される全ての分野に適用することが可能で、一般に、新薬探索装備、化合物合成器、生化学的分析器、試料前処理、分子診断機器、環境汚染分析機器、化学武器または生化学武器の探知及び識別機器、化学または生物工程モニターリング装備、医療診断機器及び健康検診機器、細胞または微生物培養器及び薬物伝達装置などに使用することができる。
また、微細チャネルの一部をクロマトグラフィーのコラムとして用いて化合物の分離及び／または精製機能を行うこともできる。
【００５１】
５．極微量溶液の注入／吸入装置
極微量の溶液移動を調節する技術は、ラブオンチップの他にも多様な分野で必要とされている。図１２は、本発明に係る極微量の液体を注入及び／または吸入する装置を示したもので、図示されたように、微細チャネルが形成された基板２０の一方の端部に毛細管５０を連結し、その毛細管５０の他方の端部をテーパー構造のピペットチップ６０形態を有するように形成する。このピペットチップ６０構造は、毛細管５０を引き延ばすことで形成することができる。また、毛細管５０の内径は１μｍ〜１ｍｍ、ピペットチップ６０の端部内径は１０ｎｍ〜１００μｍの範囲内で、応用される分野に対応して構成することができる。ピペットチップを試料に差込んだ後、本装置を利用してピコリットルやナノリットル水準の極微量の溶液を正確に注入または吸入することができる。応用可能な試料としては、マイクロメートル〜ナノミリメートル直径の球形流体、小気泡または細胞などで、試料内に所望の溶液を注入して反応させるか、または、試料内の溶液を吸入してサンプリングするために本装置を使用することができる。且つ、ピペットチップを利用すると、固体表面または注入する溶液に混合されない溶液内に所定量の溶液を伝達するときに使用することができる。このとき、移動される溶液の体積は、微細チャネルの幅、深さ及び機械的に押圧される部分の移動距離によって決定されるので、本発明に係る装置は、移動される溶液の体積を正確に調節し得るというメリットがある。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る基板内における流体処理方法及びその装置においては、基板内でピコリットル水準の極微量からミリリットル水準の微量までの溶液を定量的に移動して処理し得るという効果がある。
【００５３】
且つ、本発明に係る基板内における流体処理方法及びその装置においては、既存の微量溶液移動手段よりも優れた性能を有するため、新薬探索、化学及び生化学的な研究開発、生命科学関連研究、医療診断装備、家庭や病院における健康検診機器、化学及び生物工程のモニターリング装置、携帯可能な環境汚染物質分析機器、及び生化学武器の探知または識別装置など微量の溶液を扱う数多くの分野に応用することができる。
【００５４】
また、本発明に係る基板内における流体処理方法及びその装置においては、ラブオンチップ技術の核心基盤技術であって、構造が簡単で既存の装置よりも優れた性能を有する装置が提供されるので、ラブオンチップが適用される全ての分野に応用可能で、適用分野の幅が極めて広いという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る基板内における流体処理方法の原理を示した説明図で、機械的圧力により押された位置の移動に伴って微細チャネルの内部に流入された溶液押されるか引っ張られることを示した図である。
【図２】 本発明に係る極微量溶液を処理する方法を実現した装置を示した斜視図である。
【図３】 溶液の移動過程中、液体の圧力が大きい場合、微細チャネルの押された部分から溶液が漏れる現象を防止するために、機械的圧力により微細チャネルが押される面積を大きくして溶液を移動させる方法を示した過程図である。
【図４】 ポリジメチルシロキサン（以下、ＰＤＭＳと略称す）材質の微細チャネルチップの製造過程を示した工程図であって、
（Ａ）シリコン基板を示した斜視図、
（Ｂ）感光剤をスピンコーティングして示した斜視図、
（Ｃ）フォトマスクを覆って紫外線を露光することを示した斜視図、
（Ｄ）現像液に浸漬させて露光されてない部分を除去して型を完成した斜視図、
（Ｅ）ＰＤＭＳプレポリマーを注いでオーブンに入れて固めた後の斜視図、
（Ｆ）ＰＤＭＳ層を剥し、ＰＤＭＳ板を貫通する孔を開けて溶液注入口を形成した斜視図、
（Ｇ）チャネルの形成された面に新しいＰＤＭＳ層を付着した斜視図である。
【図５】 本発明実施形態に係る微細チャネルチップを示した平面図である。
【図６】 本発明実施形態に係る目盛りの付着された単一チャネルチップを示した平面図である。
【図７】 本発明実施形態に係る流体処理装置を使用して流体移動距離を測定する過程を示した平面図である。
【図８】 本発明実施形態に係る小型ローラーの移動速度と溶液の移動速度間の関係を示したグラフである。
【図９】 本発明実施形態に係る小型ローラーの移動速度が同様であるとき、多様な種類の溶液を移動させた結果を示したダイヤグラムである。
【図１０】 本発明実施形態に係る小型ローラーの移動距離と移動された溶液の体積間の関係を示したグラフである。
【図１１】 ２種類溶液の混合、希釈または反応に利用される微細チャネルチップを示した平面図である。
【図１２】 極微量の溶液を注入／吸入し得る装置を示した斜視図である。
【符号の説明】
１０：小型ローラー ２０：微細チャネルチップ（基板）
２１：上部基板 ２２：微細チャネル
２３：下部基板 Ｆ：流体
Ｓ：固体構造物 Ｒ：右側方向
Ｌ：左側方向 ３０：溶液導入部
３１：溶液排出部 ３２：小型ローラー固定台
３４：Ｘ軸線形移動装置 ３６：Ｘ軸線形移動装置コントローラ
３８：Ｚ軸移動台 ４０：基板固定台
Ｆ１：溶液１ Ｆ２：溶液２
５０：毛細管 ６０：ナノピペットチップ

Claims (19)

  1. 内部に微細チャネルが形成された弾性高分子材質からなる基板を固定するための基板固定台と、
    外部から前記基板の表面に圧力を加える加圧手段としての固体構造物と、
    前記固体構造物または基板固定台に連結され、それら固体構造物または基板固定台を前記微細チャネルの長さ方向に移動させる移動手段としての線形移動装置と
    前記基板に圧力を加えるために前記固体構造物を前記基板に対して垂直に下降させる部分と
    を備えることを特徴とする流体処理装置。
  2. 前記基板は、一方の面に微細チャネルが形成された基板とその微細チャネルが形成された面に他の基板を接合して形成されることを特徴とする請求項１記載の流体処理装置。
  3. 前記微細チャネルは、幅１００ｎｍ〜１０ｍｍ、深さ１０ｎｍ〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の流体処理装置。
  4. 前記弾性高分子は、ゴム、シリコン系ゴム及びプラスチック中何れか１つであることを特徴とする請求項１記載の流体処理装置。
  5. 前記微細チャネルは、成形、プレス、ホットエンボス、機械加工及びレーザー加工中何れか１つの方法により製作されることを特徴とする請求項１記載の流体処理装置。
  6. 前記固体構造物は、ローラーであることを特徴とする請求項１記載の流体処理装置。
  7. 前記固体構造物は、金属またはプラスチック材質の固体棒であることを特徴とする請求項１記載の流体処理装置。
  8. 前記固体棒と基板間に潤滑剤を使用することを特徴とする請求項７記載の流体処理装置。
  9. 前記固体構造物を下降させる部分は、ｚ軸移動台であることを特徴とする請求項１記載の流体処理装置。
  10. 前記基板または前記固体構造物を前記微細チャネルの長さ方向に移動させる間、前記基板に加えられる圧力を維持するために機械的支持力、復元力または電磁気力を使用することを特徴とする請求項１記載の流体処理装置。
  11. 前記線形移動装置の動力機構としてモータを使用することを特徴とする請求項１記載の流体処理装置。
  12. 前記微細チャネルの一方の端部は毛細管に連結され、毛細管の他方の端部はピペットチップ構造に形成されることを特徴とする請求項１記載の流体処理装置。
  13. 前記ピペットチップ構造は、前記毛細管を引き延ばして製作されることを特徴とする請求項１２記載の流体処理装置。
  14. 前記毛細管の内径は１μｍ〜１ｍｍで、前記ピペットチップ構造の内径は１００μｍ〜１０ｎｍであることを特徴とする請求項１２記載の流体処理装置。
  15. 前記ピペットチップ構造を利用して極微量の溶液を伝達または吸入することを特徴とする請求項１２記載の流体処理装置。
  16. ラブオンチップシステムに形成されることを特徴とする請求項１〜１５中何れか一つに記載の流体処理装置。
  17. 請求項１〜１５中何れか一つに記載の流体処理装置を用いることを特徴とする化合物分析器。
  18. 請求項１〜１５中何れか一つに記載の流体処理装置を用いることを特徴とする化合物合成器。
  19. 請求項１〜１５中何れか一つに記載の流体処理装置を用いることを特徴とする医療機器。
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