JP6496111B2

JP6496111B2 - 送液制御装置

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Publication number: JP6496111B2
Application number: JP2014179760A
Authority: JP
Inventors: 博章鈴木; チャンドラビスワスゴクール
Original assignee: University of Tsukuba NUC
Current assignee: University of Tsukuba NUC
Priority date: 2014-09-04
Filing date: 2014-09-04
Publication date: 2019-04-03
Anticipated expiration: 2034-09-04
Also published as: JP2016053397A

Description

この発明は、化学、生物学、医学、物質工学、電気化学工学、半導体工学、エレクトロニクス、微小化学分析、ナノテクノロジー等の研究分野で用いられる、微量な流体を制御して送液する送液制御装置に関する。

近年、チップ上で化学反応を進行させ分析を行う微小化学分析システム（μTAS）、あるいは、ガラス等の小さな基板に微細な溝やくぼみを刻んだチップに、化学反応、細胞培養、分離検出等のラボプロセス（実験室での工程）を集積化させたラボ・オン・チップ（実験室チップ、Lab on a Chip）の研究が、活発に行われている。これは、上述のように、従来の分析システムあるいは化学実験室を、手のひらに乗る程度まで微小化しようとするものである。

分析システム等を微小化することにより、（１）サンプル、試薬量の微量化、（２）応答の高速化、（３）ハイスル−プット化、等の効果が実現される。これら微小化された分析システム（以下、微小システムという）の用途はさまざまであるが、このような微小システム上では、微量な流体を制御して送液することが必要となる。特に、全ての要素が集積化された送液装置の実現が期待される。

微量な流体を制御して送液する装置として、機械的なマイクロポンプ、マイクロバルブの研究が既に１９８０年代より進められている。しかし、これらを集積化した高度な送液装置の構築はこれまでほとんど成功していない。これは、構造的に高度な集積化が難しいところに原因があるものと思われる。

このため、微小な流路中に微小な流体（例えば溶液等）を導入し送液したい場合には、市販のマイクロシリンジポンプを利用している場合が多い。もちろん、基礎研究等、目的によってはこれで十分な場合もあるであろうが、マイクロシリンジポンプを用いると携帯性が損なわれてしまう。また、マイクロシリンジポンプは非常に高価である。

そこで、比較的複雑な微小流路中を送液する手段としては、電気浸透流を利用する送液機構がある。電気浸透流は、ガラス管等に接した溶液が高電圧下で示す移動現象であり、例えばＤＮＡ等を測定対象としたキャピラリー電気泳動を用いた分析で、通常発生する。

キャピラリー電気泳動は、主に石英ガラス中に形成された微小流路末端に形成されたＤＮＡ等の粒子の入った溶液の液溜めに電極を挿入し、数百Ｖから数千Ｖの高電圧を印加して微小流路中の溶液を移動させる現象である。電気浸透流を利用した送液機構（以下、電気浸透流ポンプという）は構造的に極めて単純で、複雑な流路ネットワーク中での送液も容易である。

ところで、電気浸透流に関連して、例えば下記の特許文献１には、電気泳動を抑え、電気浸透流によりキャピラリーに試料を注入するキャピラリー電気泳動装置の試料注入装置が開示されている（特許文献１参照）。

従来型のマイクロポンプ、マイクロバルブにおいては、駆動電圧や消費電力が大きくなってしまう問題を有する。具体的には、例えば駆動電圧は小さいものでも数十Ｖで、それに伴い消費電力も問題になっていた。さらに、流路が微小化すればするほど、界面張力等の影響が大きくなり、流路構造、動作原理によっては、スムーズな送液を行うことが難しくなる。

このため、特にマイクロポンプ、マイクロバルブのような従来型の機械的ポンプを用いる場合には、チップ上への集積化が課題であった。また、電気浸透流ポンプにおいても、同様に、高電圧が必要であるため問題となるとともに、消費電力も無視できないほど大きくなってしまう。

本発明者は、上記従来の問題を解決するために、微小流路底部に形成した金電極の濡れ性を変化させ、溶液を通過させる構造の送液装置を提案した（特許文献２参照）。

特開平５−１４２１９８号公報（第１頁、第１図）特許第４６３２３００号公報

引用文献２記載の発明では、単純な構造を有し、ほとんど電力を消費せず、流路が微小化してもスムーズな送液を行うことができ、さらには、順次、複数の流体の注入、排出も含めた、一連の送液制御を効率的に行うことができる、微小送液システムの高度集積化を実現することができた。

しかしながら、引用文献２記載の発明では、バルブに到達する溶液を確実にそこで静止させるには、バルブ部の流路を細くし、電極を流路方向に長くしなければならなかった。しかし、これにより逆に応答時間(電位印加後、溶液がバルブを通過する時間)が長くなるという問題があった。

本発明は、上記従来の問題を解決することを目的とするものであり、微小流路中を進行する溶液を確実に静止させることができ、バルブの流路方向の長さも短くでき、電位印加時のバルブ上の溶液の通過時間も短くすることができる送液制御装置を実現することを課題とする。

本発明は上記課題を解決するために、微小流路構造体に、入口部、出口部及び流路部が形成されており、流路部の途中にバルブが設けられており、入口部から供給された溶液が流路部内を毛細管現象で送液され、バルブで静止される、又はバルブを通過して出口部まで送液される送液制御装置であって、バルブは、流路部の一部の底面に形成された親水性の電極と、該親水性の電極上に形成された疎水性の自己組織化単分子膜とを備えており、前記親水性の電極に負の電位を印加しない時には、入口から供給された溶液を、疎水性の自己組織化単分子膜によって静止するバルブを閉じた状態とし、前記親水性の電極に負の電位を印加することで、該親水性の電極上に形成された疎水性の自己組織化単分子膜を除去して、前記親水性の電極の表面を露出することにより、入口から供給された溶液が前記親水性の電極上を通過可能とするバルブを開いた状態とする構成を特徴とする送液制御装置を提供する。

微小流路構造体は、ガラス基板上に樹脂板が積層され、樹脂板におけるガラス基板の上面と当接する下面には、入口部、出口部及び流路部を構成する凹部が形成されていることが好ましい。

１本の流路部の複数の箇所に、それぞれバルブが形成されていることが好ましい。

入口部から放射状に延びるように形成された複数本の流路部に、それぞれバルブが形成されていることが好ましい。

入口部の溶液には定電圧電源装置の正極が電気的に接続可能であり、バルブの前記親水性の電極には定電圧電源装置の負極が接続可能であることが好ましい。

入口部には、定電圧電源装置の正極に電気的に接続可能な参照電極が設けられていることが好ましい。

微小流路構造体のガラス基板に積層される樹脂板は、ポリジメチルシロキサンで形成されていることが好ましい。

本発明によれば、疎水性の自己組織化単分子膜により、微小流路中を進行する溶液を確実に静止させることができ、バルブの流路方向の長さも短くでき、電位印加時のバルブ上の溶液の通過時間も短くすることができるという効果が生じる。

（ａ）は本発明に係る送液制御装置の実施例１の全体構成を示す図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ垂直断面を示す図である。（ａ）は上記実施例１の白金電極のいくつかの構成を示す図であり、（ｂ）、（ｃ）は上記実施例１の作用を説明する図である。（ａ）〜（ｃ）は、上記実施例１の作用を説明する図である。上記実施例１において、アルカンチオールの白金電極上への自己組織化単分子膜の形成と還元脱離を示す図である。（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る送液制御装置の実施例２の構成及び作用を説明する図である。（ａ）、（ｂ）本発明に係る送液制御装置の実施例２の作用を説明する図である。本発明に係る送液制御装置の実施例３の構成を説明する図である。（ａ）、（ｂ）本発明に係る送液制御装置の実施例３の作用を説明する図であり、参照電極、ポテンショスタット、スイッチ等は略した。

本発明に係る送液制御装置を実施するための実施するための形態を実施例に基づいて図面を参照して、以下に説明する。

(実施例１)
本発明に係る送液制御装置の実施例１を図１〜図４において説明する。図１（ａ）は、本発明に係る送液制御装置の実施例１の全体構成を示し、基本的な送液制御装置の構成を示す図である。この送液制御装置１は、微小流路構造体２を有する。

微小流路構造体２は、図１（ｂ）に示すように、ガラス基板３上に樹脂板４が積層されて形成される。樹脂板４は、疎水性のポリジメチルシロキサン（PDMS)等の樹脂材料で形成されている。ガラス基板３の上面７と当接する樹脂板４の下面８には、微小流路９を構成する凹部１０が形成されている。なお、ガラス基板３及び樹脂板４に替えて、ガラス及びポリジメチルシロキサン以外の材料で形成されたものでも良い。

微小流路９は、凹部１０と凹部１０に対応するガラス基板３の上面７で囲まれた流路空間から成る。この実施例１の微小流路９は、入口部１４、出口部１５及び流路部１６を有する。流路部１６内を毛細管現象によって溶液は流動することができる。流路部１６の途中には、バルブ１９が設けられている。本発明は、このバルブ１９の構成が特徴であり、後で詳記する。

送液制御装置１で送液が制御される溶液２０は、入口部１４に供給される。入口部１４は、液溜めとして機能し、溶液２０は、入口部１４からさらに流路部１６内に供給される。入口部１４の底部には、供給される溶液２０と常時接触状態にある参照電極２１が取り付けられている。参照電極２１は、銀（Ag）／塩化銀（AgCl）等の電極材料で形成され、図１に示すように、入口部１４から微小流路構造体２の側面側に導出されている。

流路部１６内に供給された溶液２０は、流路部１６においてバルブ１９が開いている場合は、バルブ１９を通過してさらに流路部１６内を流れ、出口部１５から溶液２０を供給すべき利用先に送液される。

バルブ１９は、流路部１６の途中の一部に設けられており、図１（ｂ）及び図３（ｂ）等に示すように、ガラス基板３上に薄膜状に形成された親水性を有する白金電極２６と、白金電極２６上に形成された疎水性の自己組織化単分子膜（SAM: Self-Assembled Monolayer）２７と、を備えている。

白金電極２６は、図１（ａ）に示すように、微小流路構造体２内を側方に延び出る接続部２８と、微小流路構造体２の外側に配置された接点パッド２９と、から一体に形成されている。本実施例では白金電極２６を使用したが、白金電極２６の替わりに、金、銀、銅、パラジウム等の金属で形成する電極でも良い。

本実施例１の送液制御装置１では、定電圧電源装置として使用するポテンショスタット（Potentiostat）３３が付設されている。ポテンショスタット３３の負極側がスイッチ（ＳＷ）３４を介して接点パッド２９に接続され、正極側が参照電極２１に接続される。

供給する溶液の供給量に応じて流路部１６の断面積（流れに垂直な断面積）の大きさを異ならせた構成とする。

図２（ａ）は、接続部２８及び接点パッド２９と一体に形成された複数の白金電極２６−１〜２６−５を示す。白金電極２６−１〜２６−５は、それぞれその下に数値が記載されている流路方向の寸法Lに形成されている。

自己組織化単分子膜２７自体は、既に知られているが、自己組織化単分子膜２７としては、白金電極２６と反応性のある疎水性の有機分子が使用される。自己組織化単分子膜２７は、使用前にあらかじめ白金電極２６上に形成される。自己組織化単分子膜２７は一般的にアルカンチオールであれば良いが、特にアルキル鎖長の短い１−ヘキサンチオール(CH₃(CH₂)₅SH)が好ましい。

白金電極上２６上に形成された自己組織化単分子膜２７は疎水性を有し、図３（ａ）に示すように、有機分子３７が、それら同士の相互作用によって密に集合し、かつ配向性が揃った状態となる。

このように、白金電極２６の表面上に有機分子３７が密に集合することにより、自己組織化単分子膜２７が形成される（図４参照）。自己組織化単分子膜２７が存在する状態では、毛細管現象により進行した溶液２０はバルブ１９の手前で静止し、図２（ａ）に示すように、いわばバルブ１９が閉じた状態となる。

図４は、アルカンチオール（Ｒ−ＳＨ）が電極２６上に密に集合し、自己組織化単分子膜２７が形成される状態（図４の右側参照）と、白金電極２６に負の電位を印加することで、アルカンチオールが電極２６から還元脱離する状態（図４の左側参照）の変化を示す図である。

（作用）
以上の構成から成る実施例１の送液制御装置１の作用を、図２（ｂ）、（ｃ）及び図３（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。まず、送液すべき溶液２０を入口部１４から流路部１６内に供給する。

ポテンショスタット３３のスイッチ３４を開いて白金電極２６に負の電位を印加していない状態では、図２（ｂ）、図３（ａ）に示すように、バルブ１９における白金電極２６上に形成された疎水性の自己組織化単分子膜２７があるために、白金電極２６の表面は溶液２０に対して濡れにくい。そのため、溶液２０は、バルブ１９を通過することなくその手前で静止し、バルブ１９が閉じられた状態にある。

スイッチ３４を閉じ、ポテンショスタット３３の負極側が接点パッド２９に接続すると、ポテンショスタット３３、参照電極２１、溶液２０、白金電極２６、接続部２８及び接点パッド２９によって回路が閉じ、白金電極２６に負の電位が印加される。

ポテンショスタット３３によって、白金電極２６に負の電位を印加すると、図３（ｂ）に示すように自己組織化単分子膜２７が還元脱離し始めて（図４参照）、その結果、親水性の白金電極２６の表面が露出する。この状態では、溶液２０の液滴と白金電極２６の表面との接触角は小さくなり、親水状態となる。

図３（ｃ）に示すように、溶液２０は自己組織化単分子膜２７を剥離しながら親水性の白金電極２６の表面上を進行し、バルブ１９はいわば開いた状態となる。そして、図２（ｃ）に示すように、溶液２０は、バルブ１９を通過してから出口部１５に送液される。なお、本発明の送液制御装置１は、バルブ１９が閉じている状態から、上記のとおり自己組織化単分子膜２７が脱離して開くという、閉から開の１回のみの使用用途を想定している。

本発明の送液制御装置１によれば、白金電極２６上に疎水性の自己組織化単分子膜２７を形成し、毛細管現象で微小流路９内を流れる溶液２０を確実に静止することができる。

また、本発明の送液制御装置１によれば、特許文献２に記載の発明のように、白金電極２６そのものの濡れ性を変化させるのではなく、自己組織化単分子膜２７を除去して、親水性の白金電極２６の表面を露出させることにより、濡れ性を増し、溶液２０を白金電極２６の表面上を速やかに移動させることができる。

このような本発明の送液制御装置１を用いれば、疎水性の自己組織化単分子膜２７により、微小流路９内を進行する溶液２０を確実に静止させる効果が大きいため、白金電極２６の流路方向の長さ寸法Ｌを短くでき、その結果、バルブ１９の流路方向の長さも短くコンパクト化が可能であり、また、電位印加時のバルブ１９上の溶液２０の通過時間も短くすることができる。

以上の実施例１の送液制御装置１は、本発明の送液制御装置の基本的な構成を示すものであるが、実際利用に供する送液制御装置では、微小流路構造体２の１又は複数本形成される流路部の適当な箇所に必要に応じて１又は複数のバルブが形成される。このように複数のバルブを流路部に適宜設ける構成例を、以下、実施例２及び実施例３において説明する。

(実施例２)
本発明に係る送液制御装置の実施例２を、図５及び図６において説明する。実施例２の送液制御装置４１は、図５（ａ）に示すように、微小流路構造体４２を有する。微小流路構造体４２は、入口部１４、蛇行状の流路部４３及び出口部１５から成る微小流路４４を備えている。

蛇行状の流路部４３の途中に、上流から下流にかけて第１〜第４のバルブ４６〜４９の４つのバルブが配置されている。この実施例２の第１〜第４のバルブ４６〜４９は、それぞれ実施例１のバルブ１９と同じ構成である。

入口部１４には、実施例１と同様に、参照電極２１が設けられている。また、ポテンショスタット３３が付設されており、ポテンショスタット３３の負極側が、第１〜第４のバルブ４６〜４９の各接点パッド２９に接続され、正極側が参照電極２１に接続されている。ポテンションスタット３３と各接点パッド２９の結線中に、それぞれスイッチＳＷ１〜ＳＷ４が設けられており、選択的に開閉可能な構成とされている。

実施例２の送液制御装置４１では、図５（ｂ）〜図６（ａ）、（ｂ）に一例を示すように、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を操作して、溶液２０を、第１〜第４のバルブ４６〜４９に対して順次、静止と通過させながら、出口部１５に向けて送液することができる。

図５（ｂ）に示す状態では、入口部１４に最も近い第１のバルブ４６が閉じられており、溶液２０は、第１のバルブ４６の手前で静止している。

図６（ａ）に示す状態では、第１のバルブ４６が開いており、第２のバルブ４７は閉じた状態を示している。溶液２０は、第１のバルブ４６を通過し、第２のバルブ４７の手前で静止している。

図６（ｂ）に示す状態では、第１及び第２のバルブ４６、４７が開いており、第３のバルブ４８は閉じた状態を示している。溶液２０は、第１及び第２のバルブ４６、４７を通過し、第３のバルブ４８の手前で静止している。

このような構成の実施例２の送液制御装置４１によれば、第１〜第４のバルブ４６〜４９をそれぞれ開くことで、溶液２０は通過可能となり、毛細管現象で上記のとおり、出口部１５に向けて送液することができる。

（実施例３）
本発明に係る送液制御装置の実施例３を図７及び図８において説明する。この実施例３の送液制御装置６１は、図７に示すように、微小流路構造体６２を有する。微小流路構造体６２には、入口部１４と、流路部と、出口部８０から成る微小流路６３が形成されている。実施例３の流路部は、入口部１４から放射状に延びるように形成された第１〜第８の流路部６６〜７３の８本の流路部から成る。

入口部１４には参照電極２１が設けられている。第１〜第８の流路部６６〜７３の末端には、第１〜第８の出口部７８〜８５が形成されている。また、第１〜第８の流路部６６〜７３の途中には、それぞれに対応して第１〜第８のバルブ８９〜９６が設けられている。第１〜第８のバルブ８９〜９６は、それぞれ実施例１のバルブ１９と同じ構成である。

実施例３の送液制御装置６１についても、ポテンショスタット３３が付設されており、実施例２の送液制御装置４１の構成と同様に、ポテンショスタット３３の負極側が第１〜第８のバルブ８９〜９６の各接点パッド２９に接続され、正極側が参照電極２１に接続されており、さらに、ポテンションスタット３３と各接点パッド２２の結線中に、それぞれスイッチＳＷ１〜ＳＷ８が設けられており、選択的に開閉可能な構成とされている。

このような構成の実施例３の送液制御装置によれば、図８（ａ）に示すように、常時は第１〜第８のバルブ８９〜９６の全てを閉じた状態としておき、例えば、図８（ｂ）に示すように、第１のバルブ８９と第６のバルブ９４を開くと、第１の流路部６６と第６の流路部７１を通して、それぞれの出口部７８と出口部８３まで溶液２０を毛細管現象で送液することができる。

実施例３の送液制御装置６１は、同じ溶液２０を１カ所の入口部１４から、第１〜第８の出口部７８〜８５のいずれかに選択的に送液して、複数の利用先のいずれかに供給する場合に適している。

以上、本発明に係る送液制御装置を実施するための形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内で、いろいろな実施例があることは言うまでもない。

本発明に係る送液制御装置は、化学、生物学、医学、物質工学、電気化学工学、半導体工学、エレクトロニクス、微小化学分析、ナノテクノロジー等の研究分野等において、携帯型微小分析機器の基礎となる微量な流体を制御して送液する送液制御装置として使用可能である。

１制御送液装置
２微小流路構造体
３ガラス基板
４樹脂板
７ガラス基板の上面
８樹脂板の下面
９微小流路
１０微小流路を構成する樹脂板下面に形成された凹部
１４入口部
１５出口部
１６流路部
１９バルブ
２０溶液
２１参照電極
２６白金電極
２７自己組織化単分子膜
２８白金電極の接続部
２９白金電極の接点パッド
３３ポテンショスタット
３４ポテンショスタットと接点パッドの間のスイッチ
３７有機分子
４１送液制御装置
４２微小流路構造体
４３蛇行状の流路部
４４微小流路
４６〜４９第１〜第４のバルブ
６１送液制御装置
６２微小流路構造体
６３微小流路
６６〜７３第１〜第８の流路部
７８〜８５第１〜第８の出口部
８９〜９６第１〜第８のバルブ

Claims

微小流路構造体に、入口部、出口部及び流路部が形成されており、流路部の途中にバルブが設けられており、入口部から供給された溶液が流路部内を毛細管現象で送液され、バルブで静止される、又はバルブを通過して出口部まで送液される送液制御装置であって、
バルブは、流路部の一部の底面に形成された親水性の電極と、該親水性の電極上に形成された疎水性の自己組織化単分子膜とを備えており、
前記親水性の電極に負の電位を印加しない時には、入口から供給された溶液を、疎水性の自己組織化単分子膜によって静止するバルブを閉じた状態とし、
前記親水性の電極に負の電位を印加することで、該親水性の電極上に形成された疎水性の自己組織化単分子膜を除去して、前記親水性の電極の表面を露出することにより、入口から供給された溶液が前記親水性の電極上を通過可能とするバルブを開いた状態とする構成を特徴とする送液制御装置。
微小流路構造体は、ガラス基板上に樹脂板が積層され、樹脂板におけるガラス基板の上面と当接する下面には、入口部、出口部及び流路部を構成する凹部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の送液制御装置。
１本の流路部の複数の箇所に、それぞれバルブが形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の送液制御装置。
入口部から放射状に延びるように形成された複数本の流路部に、それぞれバルブが形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の送液制御装置。
入口部の溶液には定電圧電源装置の正極が電気的に接続可能であり、バルブの前記親水性の電極には定電圧電源装置の負極が接続可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の送液制御装置。
入口部には、定電圧電源装置の正極に電気的に接続可能な参照電極が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の送液制御装置。
微小流路構造体のガラス基板に積層される樹脂板は、ポリジメチルシロキサンで形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の送液制御装置。