【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、マイクロフルィディクスと呼ばれる微小流体を取り扱う技術に関する分野で、主としてバイオテクノロジに利用される。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マイクロポンプとしては、圧電素子を利用したポンプが知られている。図１に圧電素子を用いたマイクロポンプの断面図を示す。１はガラス基板、２は入出力ポート、３はシリコン基板、４は加熱用ヒータ、５は圧電素子、６はポンプ室を各々示している。
水やアルコール等の液体の粘性は温度が上がると小さくなる事が知られている。このポンプでは、入り口と出口の流路内の液体を交互に加熱・冷却することで、いずれか一方が他方より流れやすくなるようにする。これをシリコン膜に圧電素子を接着した圧電アクチュエータによる圧力変動にあわせて繰り返すことによって、液体を流すことが可能となる。このように圧電アクチュエータを用いるのでポンプ自体を小さくする事が困難である。またポンプ室の容量変化を圧電素子の曲がりで誘起するため容量変化を大きくすることが難しいといった欠点があった。
【０００３】
また、本発明の光マイクロポンプと同様な光によるポンピング方法として、図２に示すような方法が考えられている。図２はその平面図を示したものである。７は回転軸に対して非対称な形状を持つ回転体である。今このような形状の回転体７に真上から光ビームを照射すると、回転体７は光の放射圧力によって右回りに回転する事が知られている。従ってポンプ室内で回転体が右回りに回転すると入力ポート２’から液体は吸入され、出力ポート２から吐出されることになる。しかしながら回転体としてこのような非対称物体を使用するために回転方向は右回りにしか回転させることが出来ない欠点がある。また回転を止めるためには光パワを切るしかなく急激なオン、オフが出来ない。さらには、ある一定量の液体を輸送しようとしてもこれを制御することは不可能である。
【０００４】
また、従来の他の光によるポンピング方法として、ポンプ室自体を光で照射する事によって液体の体積を膨張させて液体を輸送する方法があるが、照射する光が液体に吸収されて発熱することが必要であるといったことや、熱による体積変化が小さいといった欠点があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、このような欠点を解決してミクロンオーダのポンプ作製を可能とし、通常制御に用いられる電気信号を用いないで、ポンピング動作を可能とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の光マイクロポンプでは駆動力として光ビームによるトラッピング力を用いて可動物体をトラップし、さらに動かすことによってポンピング動作を行うものである。
【０００７】
また、可動物体を周期的に動かすために光ビームを切り替えて作用させる。
【０００８】
また、光ビームの出射端部まで光を導くために、各々の出射端まで光ファイバを使用する。
【０００９】
さらに、出射ビームを絞る必要が有る場合には出射端の光ファイバを加工して、テーパ状や先球状にする。
【００１０】
また、光ビームの出射端を直接半導体レーザの出射端とする場合には、出射光をビーム状にする為にレンズ加工をする。
【００１１】
【作用】
図面を使って、本発明の作用を説明する。
【００１２】
図３は、本発明の光マイクロポンプの作用確認実験に用いた構成図である。（文献、ＣＬＥＯ／ＥＵＲＯＰＥ’９８ ＣｔｕＥ７ Ｋ．Ｔａｇｕｃｈｉ， Ｈ．Ｕｅｎｏ
ａｎｄ Ｍ．．Ｉｋｅｄａ， ”Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｏｂｊｅｃｔ ｕｓｉｎｇ ｐｌｕｒａｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ”．
参照）
【００１３】
８は先端がテーパ状に研磨され、しかもさらに球状に研磨された光ファイバの先端を示したものである。３本の光ファイバの先端からレーザビームが出射される。９は酵母菌を示したもので、長径８ミクロン、短径６ミクロンの楕円形状をしたものがエチルアルコール中に分散されている。今８の光ファイバから光ビームを順次左回転に切り変え出射させたところ酵母菌は右回りに回転する事が確認された。これは光ビームによって酵母菌がトラップされることによるものであることが前記文献で実証されている。従ってこのトラップ力を利用することによって光マイクロポンプを構成する事が可能となるものである。
【００１４】
【実施例】
次に実際に光ファイバと微小球によって光マイクロポンプの実験を行った例について述べる。
【００１５】
（実施例１）
図４に示した構成での実施例について以下に説明する。７は直径１０ミクロンのアクリル微小球を示したものである。
【００１６】
実験に用いたレーザ光源は波長１．４８μｍの半導体レーザである。光ファイバ８の先端は図に示したようにテーパ状になり、かつ先端部は半径Ｒｆの球状に研磨されている。実験で用いた半径は５μｍである。
【００１７】
入出力ポート２は１５ミクロン幅、ポンプ室６は長さ３０ミクロン、幅１２ミクロンのチャネルをプラスチック材料ＰＭＭＡで作製した。これはシリコン基板上にＰＭＭＡを厚さ１５ミクロンスピンコートし、マスクと酸素ガスによるドライエッチングによって作製した。その後で、カバーガラスによる蓋をしてサイドから光ファイバを挿入した。
【００１８】
ポンピング実験にはエチルアルコールを使用した。図４に示すように、最初に微小球を破線の位置に配置し、ヒータ４’に通電する。この部分は入出力ポートより狭くなっているので通常は、液体の粘性抵抗によって液体が流れにくい状態にある。ヒータによる加熱によって粘性抵抗がさがり４の部分に比べて流れやすくなっている。この状態で、光ファイバ８’からレーザビームを出射させるとアクリル微小球は７の位置へ移動した。この場合の最小光パワは約１．２ｍＷであった。
【００１９】
この状態でヒータ４に通電し、ヒータ４’は通電を止める。さらに光ファイバ８からレーザビームを出射させ、光ファイバ８’からのレーザビームを止める。この動作によってアクリル微小球７は右に押され、その結果ポンプ室の液体は出力ポート２から吐出された。これらの動作を繰り返すことによってポンピング動作が可能となるものである。微小球の動く早さはレーザビームの出力が約２ｍＷの場合に１０μｍ／ｓの速度が得られた。
【００２０】
液体の吐出方向は図２では、下から上の方向で説明したが、ヒータの駆動順序を逆にすれば、吐出方向が逆転する事は言うまでもない。
【００２１】
（実施例２）
図５は光マイクロポンプの他の実施例について示したものである。これはロータリ型光マイクロポンプの平面図を示したものである。
【００２２】
２−１及び２’−１は入力ポート、２−２及び２’−２は出力ポート、６は繭型のポンプ室、７はおむすび型の可動部を示している。
【００２３】
この場合も、入出力ポート、ポンプ室、可動部ともにシリコン基板上にプラスチック材料ＰＭＭＡをスピンコートした後にマスクとドライエッチングで作製したものである。７の可動部の一辺は約１０μｍである。約１５μｍの厚さのＰＭＭＡを下までエッチングして可動部７を切り離す。その後うえからカバーガラスをかぶせた構成となっている。
【００２４】
この実施例におけるポンピング動作は、ロータリ型エンジンの動作によく似たものとなる。図５ではレーザビームを照射する光ファイバは、描いていないが図３における配置と同様に上から可動部７のとがった部分に光ビームが当たるように、複数本の光ファイバを配置してある。
【００２５】
今、図５において可動部が右回転するように光ビームを照射したものとする。これは図３において酵母菌を回転させることが出来たのと同様に容易に可能である。回転動作によって可動部の一辺とポンプ室とが作る間隙部はちょうどピストンにおける吸入と吐出の動作と同じ動作をさせることが出来る。図５では２−１ポートから吸入されて、２−２ポートへ吐出される。２’−１から吸入されて２’−２から吐出されるのも同様である。従ってこの場合には２チャンネルのポートがポンピング動作をする事が出来る。しかも可動部７が一回転するとおむすび型可動部は３辺持っているのでポンピング動作は３回繰り返されることになる。しかも可動部７を左回りに回転させることも容易に出来るため、この場合には入、出力ポートを各々逆にする事が出来ることは言うまでもない。
【００２６】
これまで説明してきた可動体としては、透明な物体について説明したが、光の放射圧は金属物体にも作用するため、可動部としては透明でない物体でも可能である。
【００２７】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００２８】
ポンピングに用いる駆動力は光による放射圧を用いるため、電気信号のように、電磁誘導を受けないことや、電磁雑音などを発生しない。
【００２９】
可動部として対称形の物体を用いるので、回転方向を自由に制御する事が出来る。
【００３０】
制御する光ビームは複数本使用することが出来るため、急激な駆動のオン、オフがかのうである。
【００３１】
ポンピング動作の１シークエンスで、輸送する液体の量を正確にコントロールする事が出来る。
【００３２】
入出力ポートや、ポンプ室、可動部等を半導体プロセス技術のフォトリソグラフィとドライエッチングによって作製することが出来るため、非常に小さいマイクロポンプを作製する事が出来る。
【００３３】
前記作製プロセスは半導体製造プロセスと同様量産が容易であるため、作製コストを低減させることが容易である。
【００３４】
駆動力として光パワを用いるため、生体内で使用しても危険性がない。
【００３５】
【図面の簡単な説明】
【図１】圧電素子を用いた従来のマイクロポンプの断面図である。
【図２】非対称回転体を用いた従来のマイクロポンプの平面図である。
【図３】酵母菌を三本の光ビームで回転させるための実験構成図である。
【図４】本発明の一実施例で、ピストン型光マイクロポンプの平面図である
【図５】本発明の一実施例で、ロータリ型光マイクロポンプの平面図を示したものである。
【符号の説明】
１ ガラス基板
２ 入出力ポート
３ シリコン基板
４ 加熱用ヒータ
５ 圧電素子
６ ポンプ室
７ 非対称回転体
８ 先球テーパ光ファイバ
９ 酵母菌
１０ アクリル微小球
１１ おむすび型可動部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is in the field of technology for handling microfluids called microfluidics, and is mainly used for biotechnology.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a pump using a piezoelectric element has been known as a micropump. FIG. 1 shows a sectional view of a micropump using a piezoelectric element. 1 is a glass substrate, 2 is an input / output port, 3 is a silicon substrate, 4 is a heater for heating, 5 is a piezoelectric element, and 6 is a pump chamber.
It is known that the viscosity of a liquid such as water or alcohol decreases as the temperature increases. In this pump, the liquid in the inlet and outlet channels is alternately heated and cooled so that one of the liquids flows more easily than the other. By repeating this in accordance with the pressure fluctuation by the piezoelectric actuator in which the piezoelectric element is bonded to the silicon film, the liquid can flow. Since the piezoelectric actuator is used, it is difficult to reduce the size of the pump itself. Further, there is a disadvantage that it is difficult to increase the capacity change because the capacity change of the pump chamber is induced by the bending of the piezoelectric element.
[0003]
Further, as a pumping method using light similar to the optical micropump of the present invention, a method as shown in FIG. 2 is considered. FIG. 2 shows a plan view thereof. Reference numeral 7 denotes a rotating body having an asymmetric shape with respect to the rotation axis. It is known that when a light beam is applied to the rotating body 7 having such a shape from directly above, the rotating body 7 rotates clockwise due to the radiation pressure of light. Therefore, when the rotating body rotates clockwise in the pump chamber, the liquid is sucked from the input port 2 ′ and discharged from the output port 2. However, since such an asymmetric object is used as the rotating body, there is a disadvantage that the rotating direction can only be rotated clockwise. In addition, the only way to stop the rotation is to turn off the optical power, and it cannot be turned on or off suddenly. Further, it is impossible to control a certain amount of liquid even if it is transported.
[0004]
As another conventional pumping method using light, there is a method in which the volume of the liquid is expanded by irradiating the pump chamber itself with light to transport the liquid, but the light to be irradiated is absorbed by the liquid and generates heat. However, there are drawbacks such as the necessity of heat treatment and a small change in volume due to heat.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the present invention, it is possible to manufacture a pump on the order of microns by solving such a drawback, and to enable a pumping operation without using an electric signal normally used for control.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the optical micropump according to the present invention, a movable object is trapped using a trapping force by a light beam as a driving force, and a pumping operation is performed by moving the movable object.
[0007]
In addition, the light beam is switched to act to periodically move the movable object.
[0008]
In addition, an optical fiber is used up to each output end to guide the light to the output end of the light beam.
[0009]
Further, when it is necessary to narrow the outgoing beam, the optical fiber at the outgoing end is processed into a tapered shape or a spherical shape.
[0010]
Further, when the emission end of the light beam is directly used as the emission end of the semiconductor laser, lens processing is performed to make the emission light into a beam.
[0011]
[Action]
The operation of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0012]
FIG. 3 is a configuration diagram used in an experiment for confirming the operation of the optical micropump of the present invention. (Literature, CLEO / EUROPE '98 CtuE7 K. Taguchi, H. Ueno
and M.S. . Ikeda, "Manipulation of a microscopic object using plural optical fibers".
reference)
[0013]
Numeral 8 indicates the tip of the optical fiber whose tip is polished into a tapered shape and further polished into a sphere. Laser beams are emitted from the tips of the three optical fibers. Reference numeral 9 denotes a yeast, which has an elliptical shape having a major axis of 8 microns and a minor axis of 6 microns, and is dispersed in ethyl alcohol. When the light beam was sequentially switched to the left rotation from the eight optical fibers and emitted, it was confirmed that the yeast rotated clockwise. It has been demonstrated in the literature that this is due to the trapping of yeast by a light beam. Therefore, an optical micropump can be configured by utilizing this trapping force.
[0014]
【Example】
Next, an example in which an experiment of an optical micropump is actually performed using an optical fiber and a microsphere will be described.
[0015]
(Example 1)
An embodiment having the configuration shown in FIG. 4 will be described below. Reference numeral 7 denotes acrylic microspheres having a diameter of 10 microns.
[0016]
The laser light source used in the experiment was a semiconductor laser having a wavelength of 1.48 μm. The tip of the optical fiber 8 is tapered as shown in the figure, and the tip is polished into a spherical shape with a radius Rf. The radius used in the experiment is 5 μm.
[0017]
The I / O port 2 was 15 microns wide and the pump chamber 6 was 30 microns long and 12 microns wide channels made of the plastic material PMMA. This was prepared by spin-coating PMMA on a silicon substrate to a thickness of 15 μm and dry-etching with a mask and oxygen gas. Then, the optical fiber was inserted from the side with a cover glass cover.
[0018]
Ethyl alcohol was used for the pumping experiments. As shown in FIG. 4, first, the microspheres are arranged at the positions indicated by broken lines, and the heater 4 'is energized. Since this portion is narrower than the input / output port, the liquid is usually hard to flow due to the viscous resistance of the liquid. Due to the heating by the heater, the viscous resistance becomes easier to flow as compared with the slug 4 portion. In this state, when a laser beam was emitted from the optical fiber 8 ', the acrylic microspheres moved to the position of 7. The minimum optical power in this case was about 1.2 mW.
[0019]
In this state, the heater 4 is energized, and the heater 4 'stops energizing. Further, the laser beam is emitted from the optical fiber 8 and the laser beam from the optical fiber 8 'is stopped. By this operation, the acrylic microspheres 7 were pushed to the right, and as a result, the liquid in the pump chamber was discharged from the output port 2. By repeating these operations, a pumping operation becomes possible. As for the moving speed of the microsphere, a speed of 10 μm / s was obtained when the output of the laser beam was about 2 mW.
[0020]
Although the liquid ejection direction is described from the bottom to the top in FIG. 2, it is needless to say that the ejection direction is reversed if the heater driving order is reversed.
[0021]
(Example 2)
FIG. 5 shows another embodiment of the optical micropump. This is a plan view of a rotary optical micropump.
[0022]
2-1 and 2'-1 are input ports, 2-2 and 2'-2 are output ports, 6 is a cocoon-shaped pump chamber, and 7 is a rice ball-shaped movable section.
[0023]
Also in this case, the input / output port, the pump chamber, and the movable part are all formed by spin-coating a plastic material PMMA on a silicon substrate and then performing masking and dry etching. 7 has a side of about 10 μm. The movable part 7 is cut off by etching the PMMA having a thickness of about 15 μm down. It is configured to cover with a cover glass from above.
[0024]
The pumping operation in this embodiment is very similar to the operation of a rotary engine. In FIG. 5, the optical fiber for irradiating the laser beam is not shown, but a plurality of optical fibers are arranged so that the light beam impinges on the pointed portion of the movable portion 7 from above similarly to the arrangement in FIG. .
[0025]
Now, it is assumed that the light beam is irradiated so that the movable part rotates clockwise in FIG. This is as easy as the yeast rotation in FIG. The gap formed between one side of the movable part and the pump chamber by the rotation operation can perform exactly the same operation as the suction and discharge operations of the piston. In FIG. 5, it is sucked from the port 2-1 and discharged to the port 2-2. The same applies to the suction from 2′-1 and the discharge from 2′-2. Therefore, in this case, the ports of two channels can perform the pumping operation. Moreover, when the movable part 7 makes one rotation, the diaper-shaped movable part has three sides, so that the pumping operation is repeated three times. In addition, since the movable portion 7 can be easily rotated counterclockwise, it goes without saying that the input and output ports can be reversed in this case.
[0026]
As the movable body described so far, a transparent object has been described. However, since the radiation pressure of light also acts on a metal object, a non-transparent object can be used as the movable part.
[0027]
【The invention's effect】
The present invention is configured as described above, and has the following effects.
[0028]
Since the driving force used for pumping uses the radiation pressure of light, it does not receive electromagnetic induction and does not generate electromagnetic noise, unlike electric signals.
[0029]
Since a symmetrical object is used as the movable part, the direction of rotation can be freely controlled.
[0030]
Since a plurality of light beams to be controlled can be used, sudden turning on and off of the driving is possible.
[0031]
In one sequence of the pumping operation, the amount of liquid to be transported can be accurately controlled.
[0032]
Since an input / output port, a pump chamber, a movable portion, and the like can be manufactured by photolithography and dry etching of a semiconductor process technology, a very small micropump can be manufactured.
[0033]
The manufacturing process is easy to mass-produce like the semiconductor manufacturing process, so that the manufacturing cost can be easily reduced.
[0034]
Since optical power is used as the driving force, there is no danger even when used in vivo.
[0035]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a conventional micropump using a piezoelectric element.
FIG. 2 is a plan view of a conventional micropump using an asymmetric rotating body.
FIG. 3 is an experimental configuration diagram for rotating a yeast with three light beams.
FIG. 4 is a plan view of a piston-type optical micropump according to one embodiment of the present invention. FIG. 5 is a plan view of a rotary-type optical micropump according to one embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Glass substrate 2 I / O port 3 Silicon substrate 4 Heating heater 5 Piezoelectric element 6 Pump room 7 Asymmetric rotating body 8 Headed tapered optical fiber 9 Yeast 10 Acrylic microsphere 11 Dice-shaped movable part