JP2006297198A

JP2006297198A - マイクロ流路デバイス

Info

Publication number: JP2006297198A
Application number: JP2005118804A
Authority: JP
Inventors: Chie Fukuda; 智恵福田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2005-04-15
Filing date: 2005-04-15
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】マイクロ流路を流れる流体の温度を調整可能であると共に、光を流体に簡便に照射可能なマイクロ流路デバイスを提供する。
【解決手段】マイクロ流路デバイス１は、流体ａが流れるマイクロ流路３を有する基板２３と、マイクロ流路３の第１部分５に位置する流体ａの温度を調整するヒータ７とを備える。基板２３は、マイクロ流路３の第２部分９に光学的に結合された一端１１と、他端１３とを有する光導波路１５と、第２部分９を介して光導波路１５の一端１１に光学的に結合された一端１７と、他端１９とを有する光導波路２１とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ流路デバイスに関する。

特許文献１に記載されるように、マイクロ流路の下方に設けられたヒータを用いて、当該マイクロ流路を流れる流体を加熱することができるマイクロ化学チップが知られている。このマイクロ化学チップを用いると、複数の流体をマイクロ流路中で混合して化学反応させることによって、反応生成物が得られる。ヒータは、常温よりも高い温度でなければ進行しない化学反応を進行させるために用いられる。

一方、特許文献２に記載されるように、マイクロ流路を有するチップを顕微鏡のステージ上に載置し、当該マイクロ流路を流れる流体（試料）に、顕微鏡の対物レンズを介してレーザ光を照射する方法が知られている。この方法では、励起用のレーザ光がライトチョッパーにより変調された後、ダイクロックミラーにより検出用のレーザ光と同軸にされる。これらのレーザ光は顕微鏡に導かれ試料に照射される。レーザ光を試料に照射した後、励起用のレーザ光のみをフィルタで除去し、検出用のレーザ光をフォトセンサーに導く。
特開２００５−２１７６４号公報特開２００１−１６５９３９号公報

しかしながら、特許文献２に記載される方法では、試料にレーザ光を照射するために、顕微鏡等の大掛かりな装置が必要となってしまう。

そこで本発明は、マイクロ流路を流れる流体の温度を調整可能であると共に、光を流体に簡便に照射可能なマイクロ流路デバイスを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明の第１の側面に係るマイクロ流路デバイスは、流体が流れるマイクロ流路を有する基板と、前記マイクロ流路の第１部分に位置する前記流体の温度を調整する温度調整部とを備え、前記基板は、前記マイクロ流路の第２部分に光学的に結合された一端と、他端とを有する光導波路とを備える。第２部分は、第１部分と同じでもよいし異なっていてもよい。

このマイクロ流路デバイスでは、マイクロ流路の第１部分に位置する流体の温度は、温度調整部により調整される。また、光導波路の他端に光を入射させると、当該光は光導波路を伝搬して、マイクロ流路の第２部分に位置する流体に光導波路の一端から供給される。このマイクロ流路デバイスでは、光導波路の一端から光が出射されるので、顕微鏡等の大掛かりな装置が必要とされず、当該光を流体に簡便に照射可能である。したがって、本発明の第１の側面に係るマイクロ流路デバイスによれば、マイクロ流路を流れる流体の温度を調整可能であると共に、光を流体に簡便に照射可能である。

また、上記マイクロ流路デバイスは、前記光導波路の前記他端に光学的に結合された光源を更に備えることが好ましい。この場合、光源からの光は光導波路の他端に入射され、光導波路を伝搬して、マイクロ流路の第２部分に位置する流体に光導波路の一端から供給される。

本発明の第２の側面に係るマイクロ流路デバイスは、流体が流れるマイクロ流路を有する基板と、前記マイクロ流路の第１部分に位置する前記流体の温度を調整する温度調整部とを備え、前記基板は、前記マイクロ流路の第２部分に光学的に結合された一端と、他端とを有する第１の光導波路と、前記第２部分を介して前記第１の光導波路の前記一端に光学的に結合された一端と、他端とを有する第２の光導波路とを備える。第２部分は、第１部分と同じでもよいし異なっていてもよい。

このマイクロ流路デバイスでは、マイクロ流路の第１部分に位置する流体の温度は、温度調整部により調整される。また、第１の光導波路の他端に光を入射させると、当該光は第１の光導波路を伝搬して、マイクロ流路の第２部分に位置する流体に第１の光導波路の一端から供給される。第２部分を通過した光は、第２の光導波路の一端に入射され、第２の光導波路を伝搬して第２の光導波路の他端から出射される。このマイクロ流路デバイスでは、第１の光導波路の一端から光が出射されるので、顕微鏡等の大掛かりな装置が必要とされず、当該光を流体に簡便に照射可能である。したがって、本発明の第２の側面に係るマイクロ流路デバイスによれば、マイクロ流路を流れる流体の温度を調整可能であると共に、光を流体に簡便に照射可能である。

また、上記マイクロ流路デバイスは、前記第１の光導波路の前記他端に光学的に結合された光源と、前記第２の光導波路の前記他端に光学的に結合された光検出器とを更に備えることが好ましい。

この場合、光源からの光は第１の光導波路の他端に入射され、第１の光導波路を伝搬して、マイクロ流路の第２部分に位置する流体に第１の光導波路の一端から供給される。第２部分を通過した光は、第２の光導波路の一端に入射され、第２の光導波路を伝搬して第２の光導波路の他端から出射され、光検出器に到達する。したがって、光検出器に到達した光の光量を用いると、例えば、第２部分に位置する流体の温度、又は、第２部分に位置する流体中の特定物質の量若しくは濃度等を測定することができる。

また、前記第１の光導波路の前記一端の端面は曲面であることが好ましい。この場合、第１の光導波路の一端の端面から出射される光は、当該端面が平面の場合に比べて広範囲に広がる。このため、第１の光導波路の一端の端面から出射され第２の光導波路の一端の端面に到達する光の光量は減少する。したがって、第２の光導波路の他端から出射される光の光量の変動を高感度で検出できる。

また、前記基板が石英ガラスから構成されることが好ましい。この場合、基板の耐薬品性が向上するので、比較的幅広い種類の流体をマイクロ流路に流すことができる。

本発明によれば、マイクロ流路を流れる流体の温度を調整可能であると共に、光を流体に簡便に照射可能なマイクロ流路デバイスが提供される。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るマイクロ流路デバイスを模式的に示す平面図である。図２は、第１実施形態に係るマイクロ流路デバイスの主要部を模式的に示す斜視図である。図１に示されるマイクロ流路デバイス１は、流体ａが流れるマイクロ流路３を有する基板２３を備える。基板２３は、例えばマイクロ化学チップ、分析チップ等である。基板２３は石英ガラスから構成されることが好ましい。この場合、基板２３の耐薬品性が向上するので、比較的幅広い種類の流体ａをマイクロ流路３に流すことができる。なお、基板２３は、例えばソーダライムガラス等のガラスから構成されるとしてもよい。

流体ａとしては、例えば水溶液、有機溶媒、酸性溶液、アルカリ性溶液等の液体、酸性ガス、アルカリ性ガス等の気体、気液混合物、又は、粉末が混入した気体若しくは液体等が挙げられる。

マイクロ流路３は、例えば溝が形成された石英基板等の基板上に石英ガラス板等のカバー板を張り合わせることにより好適に形成される。マイクロ流路３は、第１部分５及び第１部分５とは異なる第２部分９を有する。本実施形態において、第２部分９は第１部分５より下流に位置する。第２部分９は、第１部分５と同じ位置に配置されるとしてもよい。

本実施形態では、マイクロ流路３は、例えば断面が３０μｍ×３０μｍの正方形となる空洞である。マイクロ流路３の径は、５μｍ以上１２０μｍ以下であることが好ましい。なお、「マイクロ流路の径」とは、マイクロ流路の断面積と同じ断面積を有する円の直径を意味する。流体ａは例えば層流となってマイクロ流路３を流れる。

マイクロ流路デバイス１は、マイクロ流路３の第１部分５に位置する流体ａの温度を調整するヒータ７（温度調整部）を備える。本実施形態において、ヒータ７は基板２３上に設けられているが、基板２３上に設けられていなくてもよい。

基板２３は、一端１１及び他端１３を有する第１の光導波路１５と、一端１７及び他端１９を有する第２の光導波路２１とを備える。光導波路１５の一端１１は、マイクロ流路３の第２部分９に光学的に結合されている。光導波路２１の一端１７は、マイクロ流路３の第２部分９を介して光導波路１５の一端１１に光学的に結合されている。光導波路２１の一端１７の端面３１は、光導波路１５の一端１１の端面２９に対向配置されている。

本実施形態では、複数のヒータ７，７が設けられており、ヒータ７，７の間にマイクロ流路３の第１部分５が配置されている。なお、ヒータ７に代えてペルチェ素子等の冷却素子を用いてもよい。この場合、流体ａを冷却することができる。ヒータ７は、例えば、マイクロ流路３に沿って延びており、一端及び他端を有する金属膜である。より具体的には、ヒータ７は、例えば、幅５０μｍ、長さ５ｍｍ、抵抗値約３００Ωの合金薄膜である。ヒータ７の一端及び他端には、基板２３に設けられた複数の配線用金属膜３３，３３がそれぞれ電気的に接続されている。配線用金属膜３３は、例えば、チタン層、白金層及び金層からなる積層薄膜である。複数の配線用金属膜３３，３３には、配線３５，３５によって電源３７が接続されている。本実施形態において、配線３５及び電源３７は基板２３上に設けられていないが、基板２３上に設けられていてもよい。

本実施形態では、光導波路１５，２１は、例えばコアの断面が７．５μｍ×７．５μｍの正方形となる形状を有する。光導波路１５，２１において、コアとクラッドとの比屈折率差Δは例えば０．４５％である。光導波路１５の一端１１の端面２９の重心位置及び光導波路２１の一端１７の端面３１の重心位置は、マイクロ流路３の底面からの距離がｚ１となるように配置されることが好ましい。ｚ１は例えば１０μｍである。

光導波路１５の他端１３には、必要に応じて、例えば光ファイバ３９を介して光源２５が光学的に結合されている。また、光導波路２１の他端１９には、必要に応じて、例えば光ファイバ４１を介して光検出器２７が光学的に結合されている。光源２５としては、例えば波長１．５５μｍの半導体レーザ（ＬＤ）等が挙げられ、光検出器２７としては、例えばフォトダイオード（ＰＤ）等が挙げられる。本実施形態において、光ファイバ３９，４１、光源２５及び光検出器２７は基板２３上に設けられていないが、基板２３上に設けられていてもよい。

マイクロ流路デバイス１では、マイクロ流路３の第１部分５に位置する流体ａの温度は、ヒータ７により調整される。本実施形態において、マイクロ流路３を流れる流体ａは、第１部分５を通過することによって流体ｂに変化する。具体的には、例えば、ヒータ７により流体ａが加熱されると、熱化学反応により流体ａから流体ｂが生成される。

また、光源２５から出射される光Ｌ１を光導波路１５の他端１３に入射させると、光Ｌ１は光導波路１５を伝搬して、マイクロ流路３の第２部分９に位置する流体ｂに光導波路１５の一端１１から供給される。第２部分９を通過した光Ｌ２は、光導波路２１の一端１７に入射され、光導波路２１を伝搬して光導波路２１の他端１９から出射され、光検出器２７に到達する。光検出器２７に到達した光Ｌ２の光量（強度）を用いると、後述のように、例えば、マイクロ流路３の第２部分９に位置する流体ｂの温度、又は、マイクロ流路３の第２部分９に位置する流体ｂ中の特定物質の量若しくは濃度等を測定することができる。

光Ｌ１が流体ｂに供給されると、光Ｌ１は、流体ｂによって例えば吸収又は散乱等される。具体的には、例えば流体ａが化学反応して反応生成物としての微粒子が生成される場合、光Ｌ１は当該微粒子によって吸収又は散乱されるため、光導波路２１の一端１７に入射される光Ｌ２の光量は、光Ｌ１の光量に比べて減少する。この場合、光Ｌ２の光量は微粒子の量又は濃度等に応じて変化するので、光Ｌ２の光量を測定することによって例えば流体ａの反応率等を算出することができる。光Ｌ１の波長は、微粒子の吸収波長又は微粒子によって散乱され易い波長に一致していることが好ましい。

第１実施例において、流体ａは硝酸インジウム溶液と塩酸と四塩化スズとアンモニアとの混合溶液である。本実施例では、ヒータ７を用いて当該混合溶液を加熱すると、上述のような微粒子が生成される。この場合、生成された微粒子は、重力の影響によりマイクロ流路３の底面に向けて沈降する。光Ｌ２の光量を測定すると、この微粒子の濃度が算出される。よって、流体ａが熱化学反応する際の反応率を算出することができる。

また、例えば流体ａの屈折率と反応生成物の屈折率とが互いに異なる場合、反応生成物を含む流体ｂの屈折率は反応生成物の量又は濃度に応じて変化する。流体ｂの屈折率が変化すると、光Ｌ１が第２部分９を横切る時の光損失が変化する。したがって、光損失を測定することによって例えば流体ａの反応率等を算出することができる。この場合、光Ｌ１の波長としては任意の波長を選択することができる。

上述のように、マイクロ流路デバイス１では、光導波路１５の一端１１から光Ｌ１が出射されるので、顕微鏡等の大掛かりな装置を必要とせず、光Ｌ１を流体ｂに簡便に照射可能である。したがって、本実施形態に係るマイクロ流路デバイス１によれば、ヒータ７を用いてマイクロ流路３を流れる流体ａの温度を調整可能であると共に、光導波路１５を用いて光Ｌ１を流体ｂに簡便に照射可能である。

（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係るマイクロ流路デバイスを模式的に示す平面図である。図３に示されるマイクロ流路デバイス１ａは、流体ａが流れるマイクロ流路３を有する基板２３を備える。マイクロ流路デバイス１ａは、マイクロ流路デバイス１の光導波路１５の一端１１の端面２９が端面２９ａに置換され、マイクロ流路デバイス１の光導波路２１の一端１７の端面３１が端面３１ａに置換されたものである。

本実施形態では、光導波路１５の一端１１の端面２９ａは曲面である。また、光導波路２１の一端１７の端面３１ａは曲面である。端面２９ａ及び端面３１ａは、例えば曲率半径が５μｍの円筒面の一部であることが好ましい。端面２９ａ及び端面３１ａの重心位置は、マイクロ流路３の底面からの距離（図２のｚ１に相当）が１５μｍとなるように配置されることが好ましい。

マイクロ流路デバイス１ａでは、光導波路１５の一端１１の端面２９ａから出射される光Ｌ１は、端面が平面の場合に比べて広範囲に広がる。このため、光導波路１５の一端１１の端面２９ａから出射され光導波路２１の一端１７の端面３１ａに到達する光Ｌ２の光量は減少する。したがって、マイクロ流路デバイス１ａを用いた場合、端面が平面の場合に比べて、光導波路２１の他端１９から出射される光Ｌ２の光量の変動を高感度で検出できる。

第２実施例において、流体ａはインデックスマッチングオイルである。本実施例に用いるインデックスマッチングオイルでは、温度２５℃において、波長１．５５μｍの光に対する屈折率ｎ_ｄが１．４４９である。また、波長０．５９μｍの光に対する屈折率をｎ_ｄ１、温度をＴとすると、下記式（１）が成立する。

ｄｎ_ｄ１／ｄＴ＝−０．０００４ …（１）

ヒータ７を作動させていない温度２５℃では、光Ｌ１が第２部分９を横切る時の光損失は０．０８ｄＢである。各ヒータ７の消費電力が１５０ｍＷとなるように電源３７からヒータ７に電力を印加すると、光損失は１．５ｄＢとなる。測定された光損失と、予め算出された屈折率と温度との関係式（例えば上記式（１））とを用いると、流体ｂの温度を算出することができる。これにより、ヒータ７による加熱条件が適切か否かを判断することができる。

（第３実施形態）
図４は、第３実施形態に係るマイクロ流路デバイスを模式的に示す平面図である。図４に示されるマイクロ流路デバイス１ｂは、流体ａが流れるマイクロ流路３を有する基板２３を備える。本実施形態では、マイクロ流路３は、例えば断面が５０μｍ×５０μｍの正方形となる空洞である。また、マイクロ流路３は、第１部分５及び第１部分５より下流に位置する第２部分９を有する。

マイクロ流路デバイス１ｂは、マイクロ流路３の第１部分５に位置する流体ａの温度を調整するヒータ７を有する。基板２３は、一端１１及び他端１３を有する光導波路１５を備える。光導波路１５の一端１１は、マイクロ流路３の第２部分９に光学的に結合されている。なお、本実施形態において、基板２３は光導波路２１を備えていない。

本実施形態では、光導波路１５は、例えばコアの断面が１０μｍ×１０μｍの正方形となる形状を有する。また、光導波路１５の一端１１の端面２９の重心位置は、マイクロ流路３の底面からの距離（図２のｚ１に相当）が２５μｍとなるように配置されることが好ましい。

本実施形態において、光導波路１５の他端１３には、必要に応じて、例えばレンズ４３を介して光源２５ｂが光学的に結合されている。光源２５ｂとしては、例えばＵＶランプ等が挙げられる。本実施形態において、レンズ４３及び光源２５ｂは基板２３上に設けられていないが、基板２３上に設けられていてもよい。

マイクロ流路デバイス１ｂでは、マイクロ流路３の第１部分５に位置する流体ａの温度は、ヒータ７により調整される。また、光導波路１５の他端１３に、光源２５ｂから出射されレンズ４３で集光された光Ｌ３を入射させると、光Ｌ３は光導波路１５を伝搬して、マイクロ流路３の第２部分９に位置する流体ｂに光導波路１５の一端１１から供給される。

本実施形態において、マイクロ流路３を流れる流体ａは、第１部分５を通過することにより流体ｂに変化する。また、流体ｂは、第２部分９を通過することによって流体ｃに変化する。具体的には、例えば、ヒータ７により流体ａが加熱されると、熱化学反応により流体ａから流体ｂが生成される。また、光Ｌ３を流体ｂに照射すると、光化学反応により流体ｂから流体ｃが生成される。

マイクロ流路デバイス１ｂでは、光導波路１５の一端１１から光Ｌ３が出射されるので、顕微鏡等の大掛かりな装置を必要とせず、光Ｌ３を流体ｂに簡便に照射可能である。したがって、本実施形態に係るマイクロ流路デバイス１ｂによれば、マイクロ流路３を流れる流体ａの温度を調整可能であると共に、光Ｌ３を流体ｂに簡便に照射可能である。このため、流体に対して、熱及び光を短時間で連続的に与えることができる。

第３実施例において、流体ａは紫外線硬化樹脂のモノマーと光反応開始剤との混合液である。本実施例では、ヒータ７を用いて当該溶液を加熱した後に、当該溶液に光Ｌ３が照射される。この場合、固化した樹脂からなる微小球が生成される。その結果、微小球を含む流体ｂが流体ａから生成される。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されない。

例えば、マイクロ流路デバイス１ｂでは、マイクロ流路３の第２部分９は第１部分５より上流に位置するとしてもよい。

第１実施形態に係るマイクロ流路デバイスを模式的に示す平面図である。第１実施形態に係るマイクロ流路デバイスの主要部を模式的に示す斜視図である。第２実施形態に係るマイクロ流路デバイスを模式的に示す平面図である。第３実施形態に係るマイクロ流路デバイスを模式的に示す平面図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ…マイクロ流路デバイス、３…マイクロ流路、５…マイクロ流路の第１部分、７…ヒータ（温度調整部）、９…マイクロ流路の第２部分、１１…光導波路（第１の光導波路）の一端、１３…光導波路（第１の光導波路）の他端、１５…光導波路（第１の光導波路）、１７…第２の光導波路の一端、１９…第２の光導波路の他端、２１…第２の光導波路、２３…基板、２５，２５ｂ…光源、２７…光検出器、２９，２９ａ…第１の光導波路の一端の端面、３１，３１ａ…第２の光導波路の一端の端面、ａ，ｂ，ｃ…流体。

Claims

流体が流れるマイクロ流路を有する基板と、
前記マイクロ流路の第１部分に位置する前記流体の温度を調整する温度調整部と、
を備え、
前記基板は、前記マイクロ流路の第２部分に光学的に結合された一端と、他端とを有する光導波路を備える、マイクロ流路デバイス。
前記光導波路の前記他端に光学的に結合された光源を更に備える、請求項１に記載のマイクロ流路デバイス。
流体が流れるマイクロ流路を有する基板と、
前記マイクロ流路の第１部分に位置する前記流体の温度を調整する温度調整部と、
を備え、
前記基板は、前記マイクロ流路の第２部分に光学的に結合された一端と、他端とを有する第１の光導波路と、
前記第２部分を介して前記第１の光導波路の前記一端に光学的に結合された一端と、他端とを有する第２の光導波路と、
を備える、マイクロ流路デバイス。
前記第１の光導波路の前記他端に光学的に結合された光源と、
前記第２の光導波路の前記他端に光学的に結合された光検出器と、
を更に備える、請求項３に記載のマイクロ流路デバイス。
前記第１の光導波路の前記一端の端面は曲面である、請求項３又は４に記載のマイクロ流路デバイス。
前記基板が石英ガラスから構成される、請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロ流路デバイス。