JP2007224844A - Micropump, liquid feeding method and liquid feeding system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロポンプによる送液方法および送液システムに関し、さらに詳しくは、差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合が互いに異なる流路が接続された加圧室の内部圧力を変化させ、加圧室に接続されたアクチュエータへ印加する電圧波形によって液体を双方向へ送液するマイクロポンプの送液方法および送液システムに関する。特に、マイクロリアクタの流路内において、マイクロポンプからの駆動液によって反応に用いる液体を送液する技術の改良に関する。 The present invention relates to a liquid feeding method and a liquid feeding system using a micropump. More specifically, the internal pressure of a pressurizing chamber to which flow rates having different flow rate change ratios with respect to a change in differential pressure are connected is changed. The present invention relates to a liquid feeding method and a liquid feeding system of a micropump for feeding liquid in both directions by a voltage waveform applied to an actuator connected to a pressurizing chamber. In particular, the present invention relates to an improvement in technology for sending a liquid used for a reaction by a driving liquid from a micropump in a flow path of a microreactor.
近年、マイクロマシン技術および超微細加工技術を駆使することにより、従来の試料調製、化学分析、化学合成などを行うための装置、手段(例えばポンプ、バルブ、流路、セ
ンサーなど)を微細化して1チップ上に集積化したシステムが開発されている。これは、
μ−TAS(Micro total Analysis System)、バイオリアクタ、ラブ・オン・チップ(Lab-on-chips)、バイオチップとも呼ばれ、医療検査・診断分野、環境測定分野、農産製
造分野でその応用が期待されている。現状の遺伝子検査に見られるように、煩雑な工程、熟練した手技、機器類の操作が必要とされる場合には、自動化、高速化および簡便化されたミクロ化分析システムは、コスト、必要試料量、所要時間のみならず、時間および場所を選ばない分析を可能とする点でその恩恵は多大と言える。
In recent years, by making full use of micromachine technology and ultrafine processing technology, devices and means (for example, pumps, valves, flow paths, sensors, etc.) for performing conventional sample preparation, chemical analysis, chemical synthesis, etc. have been miniaturized. Systems integrated on a chip have been developed. this is,
It is also called μ-TAS (Micro total Analysis System), bioreactor, Lab-on-chips, biochip, and its application is expected in medical examination / diagnosis field, environmental measurement field, agricultural production field Has been. As can be seen in the current genetic testing, when complicated processes, skilled techniques, and equipment operations are required, automated, accelerated and simplified microanalysis systems are costly and require samples. The benefit is great in that it allows analysis not only in quantity and time, but also in any time and place.
また、各種の分析、検査ではこれらの分析用チップにおける分析の定量性、解析の精度、経済性などが重要視される。そのためにはシンプルな構成で、高い信頼性の送液システムを確立することが課題であり、精度が高く信頼性に優れるマイクロ流体制御素子が求められているが、このようなマイクロポンプシステムの一つとして、特許文献1に開示されているものがある。
In various types of analysis and inspection, importance is attached to the quantitativeness of analysis, the accuracy of analysis, and the economic efficiency of these analysis chips. For this purpose, it is a challenge to establish a highly reliable liquid delivery system with a simple configuration, and there is a need for a microfluidic control element that is highly accurate and highly reliable. One is disclosed in
このマイクロポンプは、アクチュエータに印加する電圧波形によって双方向への送液が可能であり、差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合が互いに異なる流路を加圧室に接続した構造を備えている。加圧室の壁面にはダイヤフラムが形成されており、その外面にピエゾ素子等からなるアクチュエータが接続されている。加圧室には、流路抵抗が差圧に応じて変化する第1流路と、差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合が第1流路よりも小さい第2流路とが連通している。 This micro pump is capable of two-way liquid feeding depending on the voltage waveform applied to the actuator, and has a structure in which flow paths having different flow rate resistance change ratios with respect to differential pressure changes are connected to a pressurizing chamber. Yes. A diaphragm is formed on the wall surface of the pressurizing chamber, and an actuator composed of a piezoelectric element or the like is connected to the outer surface of the diaphragm. The pressurizing chamber communicates with the first flow path in which the flow path resistance changes according to the differential pressure and the second flow path in which the change rate of the flow path resistance with respect to the change in the differential pressure is smaller than that of the first flow path. ing.
アクチュエータに対して図5(a)に示す波形の電圧を印加すると、急峻に電圧が立ち上がる期間T1において、加圧室の内部へ向かう方向へ素早くダイヤフラムが変位して、第1流路および第2流路に大きい差圧が与えられながら加圧室の体積が減少する。 When the voltage having the waveform shown in FIG. 5A is applied to the actuator, the diaphragm is quickly displaced in the direction toward the inside of the pressurizing chamber in the period T1 during which the voltage suddenly rises, and the first flow path and the second flow path are changed. The volume of the pressurizing chamber decreases while a large differential pressure is applied to the flow path.
次いで、期間T2において電圧は一定値e1に維持され、その後、緩やかに電圧が立ち下がる期間T3において、加圧室からその外側に向かう方向へゆっくりダイヤフラムが変位して、第1流路および第2流路に小さい差圧が与えられながら加圧室の体積が増加する。 Next, in period T2, the voltage is maintained at a constant value e1, and then in period T3 in which the voltage gradually falls, the diaphragm is slowly displaced in the direction from the pressurizing chamber toward the outside thereof, and the first flow path and the second flow path. The volume of the pressurizing chamber increases while a small differential pressure is applied to the flow path.
期間T4の間隔をおいて繰り返し上記台形状の電圧波形を印加することによって、液体は一方の方向へ送液される。
そして、液体を反対方向へ送液する場合には、電圧制御の利便性等から図5(a)の波形を反転させた形状をもつ図5(b)の電圧波形が用いられている。アクチュエータに対して図5(b)に示す波形の電圧を印加すると、緩やかに電圧が立ち上がる期間T5において、加圧室の内部へ向かう方向へゆっくりダイヤフラムが変位して、第1流路および第
2流路に小さい差圧が与えられながら加圧室の体積が減少する。
By applying the trapezoidal voltage waveform repeatedly at intervals of the period T4, the liquid is fed in one direction.
When the liquid is fed in the opposite direction, the voltage waveform of FIG. 5B having a shape obtained by inverting the waveform of FIG. 5A is used for convenience of voltage control and the like. When the voltage having the waveform shown in FIG. 5B is applied to the actuator, the diaphragm is slowly displaced in the direction toward the inside of the pressurizing chamber in the period T5 during which the voltage gradually rises. The volume of the pressurizing chamber decreases while a small differential pressure is applied to the flow path.
次いで、期間T6において電圧は一定値e1に維持され、その後、急峻に電圧が立ち下がる期間T7において、加圧室からその外側に向かう方向へ素早くダイヤフラムが変位して、第1流路および第2流路に大きい差圧が与えられながら加圧室の体積が増加する。 Next, in period T6, the voltage is maintained at a constant value e1, and then in period T7 in which the voltage falls steeply, the diaphragm is quickly displaced in the direction from the pressurizing chamber to the outside thereof, and the first flow path and the second flow path The volume of the pressurizing chamber increases while a large differential pressure is applied to the flow path.
期間T8の間隔をおいて繰り返し上記台形状の電圧波形を印加することによって、液体は上記反対方向へ送液される。
このマイクロポンプをマイクロリアクタの流路上流側に連通させ、マイクロリアクタの流路へ駆動液を送出することによって、マイクロリアクタの流路内にある反応に用いる液体を押して送液することができる。
By repeatedly applying the trapezoidal voltage waveform at intervals of the period T8, the liquid is fed in the opposite direction.
By connecting the micropump to the upstream side of the microreactor channel and sending the driving liquid to the microreactor channel, the liquid used in the reaction in the microreactor channel can be pushed and fed.
また、例えばマイクロリアクタ内の反応部で試薬等を前後に揺らしながら反応を進行させる場合には、マイクロポンプのアクチュエータに図5(a)の電圧波形と図5(b)の電圧波形とを交互に印加することによって、駆動液と一連に繋がっている反応液の送液方向を正逆方向へ複数回切り換えながら当該操作を行うことができる。
このマイクロポンプによる送液速度をより早める必要がある場合、図5(a)の電圧波形における立ち上がり期間T1を短くすることで速度を上げることができる。図5(b)の電圧波形における立ち下がり期間T7を短くする場合も同様である。 When it is necessary to further increase the liquid feeding speed by the micropump, the speed can be increased by shortening the rising period T1 in the voltage waveform of FIG. The same applies to the case where the falling period T7 in the voltage waveform of FIG.
ところが、このようにして送液速度を早めると、次の問題が生じるようになる。すなわち、図5(a)の波形で第1流路から第2流路に向かう方向へ送液した場合と比べて、図5(b)の波形で第2流路から第1流路に向かう方向へ送液した場合では、アクチュエータの振動に伴ってマイクロポンプの加圧室内部に発生する負圧が大きくなる。 However, when the liquid feeding speed is increased in this way, the following problem occurs. That is, compared with the case where liquid is fed in the direction from the first flow path to the second flow path with the waveform of FIG. 5A, the waveform of FIG. 5B is directed from the second flow path to the first flow path. When the liquid is fed in the direction, the negative pressure generated in the pressurizing chamber of the micropump increases with the vibration of the actuator.
そのため、ポンプ室内部にキャビテーションによる気泡が発生し易くなり、正常な送液が阻害される要因となる。
本発明は、差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合を利用した双方向送液が可能なマイクロポンプにおいて、例えばマイクロリアクタの流路内において反応に用いる液を下流へ送液する場合のような主方向への送液時における送液速度を早めることができると同時に、いずれの方向に送液する場合であってもポンプ室内における気泡の発生を十分に防止可能な送液方法および送液システムを提供することを目的としている。
For this reason, bubbles due to cavitation are easily generated in the pump chamber, which is a factor that hinders normal liquid feeding.
The present invention relates to a micropump capable of bidirectional liquid feeding utilizing a change rate of flow path resistance with respect to a change in differential pressure. Liquid feeding method and liquid feeding system capable of speeding up the liquid feeding speed at the time of liquid feeding in the main direction and at the same time sufficiently preventing generation of bubbles in the pump chamber regardless of the direction of liquid feeding. The purpose is to provide.
本発明のマイクロポンプによる送液方法は、流路抵抗が差圧に応じて変化する第1流路と、
差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合が第1流路よりも小さい第2流路と、
第1流路および第2流路に接続された加圧室と、
該加圧室の内部圧力を変化させるアクチュエータと、
を備えたマイクロポンプを用いて液体を双方向へ送液する方法であって、
略台形状の電圧波形が繰り返される第1の駆動電圧波形によってアクチュエータを駆動して第1流路から第2流路に向かう方向へ液体を送液するとともに、
略台形状の電圧波形が繰り返される第2の駆動電圧波形によってアクチュエータを駆動して第2流路から第1流路に向かう方向へ液体を送液し、
第1の駆動電圧波形における電圧の立ち上り時間を、第2の駆動電圧波形における電圧の立ち下り時間よりも短くすることを特徴とする。
The liquid feeding method using the micropump of the present invention includes a first flow path in which the flow path resistance changes according to the differential pressure,
A second flow path whose rate of change in flow path resistance with respect to a change in differential pressure is smaller than the first flow path;
A pressurization chamber connected to the first flow path and the second flow path;
An actuator for changing the internal pressure of the pressurizing chamber;
A method of sending liquid in both directions using a micropump equipped with
The actuator is driven by a first drive voltage waveform in which a substantially trapezoidal voltage waveform is repeated, and liquid is fed in the direction from the first flow path to the second flow path,
The actuator is driven by a second drive voltage waveform in which a substantially trapezoidal voltage waveform is repeated, and liquid is fed in the direction from the second flow path to the first flow path,
The voltage rise time in the first drive voltage waveform is shorter than the voltage fall time in the second drive voltage waveform.
上記の発明において、マイクロポンプの第2流路側に、板状チップ内の流路において反応に用いる液体が送液されるマイクロリアクタの流路上流に設けられた駆動液注入部を連通させ、
前記第1の駆動電圧波形によってアクチュエータを駆動して第1流路から第2流路に向かう方向へ駆動液を送液し、前記駆動液注入部からマイクロリアクタの流路内に注入された駆動液によって前記反応に用いる液体を下流へ押して送液することが好ましい。
In the above invention, the driving fluid injection section provided upstream of the flow path of the microreactor to which the liquid used for the reaction in the flow path in the plate-shaped chip is communicated with the second flow path side of the micropump,
The actuator is driven by the first driving voltage waveform, the driving liquid is sent in the direction from the first flow path to the second flow path, and the driving liquid injected from the driving liquid injection portion into the flow path of the microreactor. The liquid used for the reaction is preferably pushed downstream and fed.
上記の発明において、前記第2の駆動電圧波形によってアクチュエータを駆動して第2流路から第1流路に向かう方向へ駆動液を送液し、駆動液と一連に繋がっている前記反応に用いる液体を、下流とは逆方向の前記駆動液注入部側へ送液することが好ましい。 In the above invention, the actuator is driven by the second driving voltage waveform, the driving liquid is fed in the direction from the second flow path toward the first flow path, and used for the reaction connected in series with the driving liquid. It is preferable that the liquid is fed to the driving liquid injecting portion in the direction opposite to the downstream side.
本発明のマイクロポンプによる送液システムは、
(i)流路抵抗が差圧に応じて変化する第1流路と、
差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合が第1流路よりも小さい第2流路と、
第1流路および第2流路に接続された加圧室と、
該加圧室の内部圧力を変化させるアクチュエータと、
を備えた液体を双方向へ送液可能なマイクロポンプと、
(ii)アクチュエータを駆動するための、略台形状の電圧波形が繰り返される第1の駆動電圧波形および第2の駆動電圧波形を生成する手段と、
を備え、
第1の駆動電圧波形における電圧の立ち上り時間は、第2の駆動電圧波形における電圧の立ち下り時間よりも短く、
第1の駆動電圧波形によってアクチュエータを駆動して第1流路から第2流路に向かう方向へ液体を送液し、
第2の駆動電圧波形によってアクチュエータを駆動して第2流路から第1流路に向かう方向へ液体を送液することを特徴とする。
The liquid feeding system using the micropump of the present invention is:
(I) a first flow path in which the flow path resistance changes according to the differential pressure;
A second flow path whose rate of change in flow path resistance with respect to a change in differential pressure is smaller than the first flow path;
A pressurization chamber connected to the first flow path and the second flow path;
An actuator for changing the internal pressure of the pressurizing chamber;
A micropump that can feed liquids with
(Ii) means for generating a first drive voltage waveform and a second drive voltage waveform in which a substantially trapezoidal voltage waveform for driving the actuator is repeated;
With
The voltage rise time in the first drive voltage waveform is shorter than the voltage fall time in the second drive voltage waveform,
The actuator is driven by the first drive voltage waveform to send liquid in the direction from the first flow path to the second flow path,
The actuator is driven by the second drive voltage waveform, and the liquid is fed in the direction from the second flow path to the first flow path.
上記の発明において、送液システムは、板状チップ内の流路に反応に用いる液体が予め収容され当該流路内において試薬を用いた反応が行われるマイクロリアクタを備え、
マイクロリアクタの流路上流には、前記反応に用いる液体を送液するための駆動液が注入される駆動液注入部が設けられ、
前記マイクロポンプの第2流路側に、マイクロリアクタの駆動液注入部が連通され、
前記第1の駆動電圧波形によってアクチュエータを駆動して第1流路から第2流路に向かう方向へ駆動液を送液し、駆動液注入部からマイクロリアクタの流路内に注入された駆動液によって前記反応に用いる液体を下流へ押して送液することが好ましい。
In the above invention, the liquid feeding system includes a microreactor in which a liquid used for the reaction is stored in advance in a flow path in the plate-shaped chip and a reaction using a reagent is performed in the flow path.
In the upstream of the flow path of the microreactor, a driving liquid injecting unit for injecting a driving liquid for sending the liquid used for the reaction is provided,
A driving liquid injection part of the microreactor communicates with the second flow path side of the micropump,
The actuator is driven by the first driving voltage waveform to send the driving liquid in the direction from the first flow path to the second flow path, and by the driving liquid injected from the driving liquid injection portion into the flow path of the microreactor. It is preferable to send the liquid used for the reaction by pushing it downstream.
上記の発明において、前記第2の駆動電圧波形によってアクチュエータを駆動して第2流路から第1流路に向かう方向へ駆動液を送液し、駆動液と一連に繋がっている前記反応に用いる液体を、下流とは逆方向の前記駆動液注入部側へ送液することが好ましい。 In the above invention, the actuator is driven by the second driving voltage waveform, the driving liquid is fed in the direction from the second flow path toward the first flow path, and used for the reaction connected in series with the driving liquid. It is preferable that the liquid is fed to the driving liquid injecting portion in the direction opposite to the downstream side.
以上の発明によれば、差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合が第1流路よりも小さい第2流路の下流側へ、駆動液による送液対象の液体がある流路、例えばマイクロリアクタの流路を連通させて、第1流路から第2流路に向かう方向を送液の主方向とし、この方向へ送液するための第1の駆動電圧波形と、その反対側へ送液するための第2の駆動電圧波形とを非対称な形状としている。具体的には、第1の駆動電圧波形における電圧の立ち上がり時間を、第2の駆動電圧波形における電圧の立ち下り時間よりも短くしている。 According to the above-described invention, the flow path, for example, the microreactor, in which the liquid to be fed by the driving liquid is located downstream of the second flow path where the change rate of the flow path resistance with respect to the change in the differential pressure is smaller than the first flow path The direction from the first flow path to the second flow path is the main direction of liquid feed, and the first drive voltage waveform for liquid feed in this direction and the liquid feed to the opposite side The second drive voltage waveform for this is asymmetrical. Specifically, the voltage rise time in the first drive voltage waveform is shorter than the voltage fall time in the second drive voltage waveform.
そのため、一方向への送液時と他方向への送液時における電圧値が同一としても、主方向への送液速度を早めることができると同時に、キャビテーションによりポンプ室内に気
泡が発生し易い第2流路から第1流路への送液時にも気泡の発生が抑制される。主方向とは反対側の第2流路から第1流路への送液速度は、主方向への送液速度よりも遅くなるが、逆方向送液の用途および使用頻度の点から実用上の影響は小さい。
Therefore, even if the voltage value at the time of liquid feeding in one direction is the same as that at the time of liquid feeding in the other direction, the liquid feeding speed in the main direction can be increased, and at the same time, bubbles are likely to be generated in the pump chamber due to cavitation. The generation of bubbles is also suppressed during liquid feeding from the second flow path to the first flow path. Although the liquid feeding speed from the second flow path opposite to the main direction to the first flow path is slower than the liquid feeding speed in the main direction, it is practically used from the viewpoint of the application and use frequency of the reverse direction liquid feeding. The impact of is small.
本発明によれば、主方向への送液時における送液速度を早めることができると同時に、いずれの方向に送液する場合であってもポンプ室内における気泡の発生が十分に防止される。 According to the present invention, it is possible to increase the liquid feeding speed at the time of liquid feeding in the main direction, and at the same time, it is possible to sufficiently prevent the generation of bubbles in the pump chamber regardless of the direction of liquid feeding.
以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。図1は、本発明の一実施例において使用されるマイクロポンプユニットの断面図、図2は、その斜視図、図3(a)および図3(b)は、マイクロポンプによる主方向(A方向)および逆方向(B方向)への送液時における駆動電圧波形および液の送出量を示したグラフである。図4は、このマイクロポンプユニットを用いて送液を行うマイクロリアクタを示した図である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 is a cross-sectional view of a micropump unit used in one embodiment of the present invention, FIG. 2 is a perspective view thereof, and FIGS. 3A and 3B are main directions (direction A) by the micropump. ) And a drive voltage waveform and a liquid delivery amount at the time of liquid feeding in the reverse direction (B direction). FIG. 4 is a diagram showing a microreactor that performs liquid feeding using this micropump unit.
なお、本実施例で用いられるマイクロリアクタは、マイクロリアクタの流路に予め収容された試薬と、分析時にマイクロリアクタの流路内に注入される検体との遺伝子増幅反応およびその検出を行うものである。 The microreactor used in this example performs a gene amplification reaction and detection of a reagent previously stored in the microreactor channel and a sample injected into the microreactor channel during analysis.
図1および図2に示すマイクロポンプユニット1は、シリコン製の基板7と、その上のガラス製の基板8と、その上のガラス製の基板9との3つの基板から構成されている。基板7と基板8、および基板8と基板9はそれぞれ、陽極接合によって接合されている。
The
シリコン製の基板7と、その上に陽極接合によって貼り合わされたガラス製の基板8との間の内部空間によってマイクロポンプ2が構成されている。
基板7は、シリコンウエハをフォトリソグラフィ技術により所定の形状に加工したものである。例えば、シリコン基板面への酸化膜の形成、レジスト塗布、レジストの露光および現像、酸化膜のエッチング、ICP(高周波誘導結合型プラズマ、Inductively Coupled Plasma)などによるシリコンのエッチング等を含む微細加工によって、加圧室12、第1流路13、第1液室15、第2流路14、および第2液室16が形成されている。
The
The substrate 7 is obtained by processing a silicon wafer into a predetermined shape by a photolithography technique. For example, by fine processing including formation of an oxide film on the silicon substrate surface, resist application, resist exposure and development, oxide film etching, silicon etching by ICP (Inductively Coupled Plasma), etc. A pressurizing
加圧室12の位置では、シリコン基板がダイヤフラムに加工され、その外側表面には、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)セラミックスなどからなるピエゾアクチュエータ11が貼着されている。
At the position of the pressurizing
このマイクロポンプ2は、ピエゾアクチュエータ11へ印加する電圧によって次のように駆動される。所定波形の電圧を印加することによりピエゾアクチュエータ11が振動すると、それと共に、加圧室12の位置におけるシリコンダイヤフラムが振動し、これによって加圧室12の体積が増減する。第1流路13と第2流路14とは、幅および深さが同じで、長さが第1流路13よりも第2流路14の方が長くなっている。
The
第1流路13では、差圧が大きくなると、流路内で乱流が発生し、流路抵抗が増加する。一方、第2流路14では、流路幅が長いので差圧が大きくなっても層流になり易く、第1流路13に比べて差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合が小さくなる。
In the
なお、第1流路13と第2流路14における、差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合の相違は、必ずしも流路の長さの違いによる必要はなく、他の形状的な相違に基づくものであってもよい。
The difference in flow rate resistance change ratio with respect to the change in differential pressure in the
ピエゾアクチュエータ11に対して図3(a)に示す波形の電圧を印加すると、急峻に電圧が立ち上がる期間T1において、加圧室12の内部へ向かう方向へ素早くダイヤフラムが変位して、第1流路13および第2流路14に大きい差圧が与えられながら加圧室12の体積が減少する。
When a voltage having the waveform shown in FIG. 3A is applied to the
次いで、期間T2において電圧は一定値e1に維持され、その後、緩やかに電圧が立ち下がる期間T3において、加圧室12からその外側に向かう方向へゆっくりダイヤフラムが変位して、第1流路13および第2流路14に小さい差圧が与えられながら加圧室12の体積が増加する。
Next, in period T2, the voltage is maintained at a constant value e1, and then in period T3 in which the voltage gradually falls, the diaphragm is slowly displaced from the pressurizing
期間T4の間隔をおいて繰り返し上記台形状の電圧波形を印加することによって、液体は図1においてA方向へ送液される。
一方、ピエゾアクチュエータ11に対して図3(b)に示す波形の電圧を印加すると、緩やかに電圧が立ち上がる期間T5において、加圧室12の内部へ向かう方向へゆっくりダイヤフラムが変位して、第1流路13および第2流路14に小さい差圧が与えられながら加圧室12の体積が減少する。
By repeatedly applying the trapezoidal voltage waveform at intervals of the period T4, the liquid is fed in the direction A in FIG.
On the other hand, when a voltage having the waveform shown in FIG. 3B is applied to the
次いで、期間T6において電圧は一定値e1に維持され、その後、急峻に電圧が立ち下がる期間T7において、加圧室12からその外側に向かう方向へ素早くダイヤフラムが変位して、第1流路13および第2流路14に大きい差圧が与えられながら加圧室12の体積が増加する。
Next, in period T6, the voltage is maintained at a constant value e1, and then in period T7 in which the voltage falls steeply, the diaphragm is quickly displaced from the pressurizing
期間T8の間隔をおいて繰り返し上記台形状の電圧波形を印加することによって、液体は図1においてB方向へ送液される。
本実施例では、B方向へ送液する際の図3(b)の台形電圧波形として、A方向へ送液する際の図3(a)の台形電圧波形を反転させたものを用いるのではなく、図3(a)の台形電圧波形と図3(b)の台形電圧波形とは互いに非対称な形状になっている。
By repeatedly applying the trapezoidal voltage waveform at intervals of the period T8, the liquid is fed in the direction B in FIG.
In this embodiment, as the trapezoidal voltage waveform in FIG. 3B when the liquid is fed in the B direction, the inverted trapezoidal voltage waveform in FIG. 3A when the liquid is fed in the A direction is used. The trapezoidal voltage waveform in FIG. 3A and the trapezoidal voltage waveform in FIG. 3B are asymmetrical to each other.
すなわち、A方向へ送液する際の駆動電圧波形における電圧の立ち上り時間T1を、B方向へ送液する際の駆動電圧波形における電圧の立ち下り時間T7よりも短くしている。
したがって、図3(a)の台形電圧波形における短い立ち上り時間T1によって、送液の主方向であるA方向への送液速度を早めることができると共に、図3(b)の台形電圧波形における立ち下り時間T7は、B方向への送液速度に実用上の支障がない程度に、図3(a)の台形電圧波形の立ち上り時間T1よりも長くなっているので、キャビテーションによりポンプ室内に気泡が発生し易いB方向への送液時にも気泡の発生が抑制される。
That is, the voltage rise time T1 in the drive voltage waveform when liquid is fed in the A direction is shorter than the voltage fall time T7 in the drive voltage waveform when liquid is fed in the B direction.
Therefore, the short rising time T1 in the trapezoidal voltage waveform in FIG. 3A can increase the liquid feeding speed in the A direction, which is the main direction of liquid feeding, and the rising edge in the trapezoidal voltage waveform in FIG. The falling time T7 is longer than the rising time T1 of the trapezoidal voltage waveform in FIG. 3A to such an extent that there is no practical problem with the liquid feeding speed in the B direction. The generation of bubbles is suppressed even during liquid feeding in the B direction, which is likely to occur.
基板9には、流路10がパターニングされており、流路10の下流側には、図4のマイクロリアクタの開口32a〜32kに位置合わせすることによりマイクロポンプ2を検査チップの微細流路に連通させるための開口5が設けられている。
A
流路10の上流側は、基板8の貫通孔6bを介して、基板7に設けられた流路を通りマイクロポンプ2に連通されている。また、マイクロポンプ2の上流側は、基板7に設けられた流路から基板8の貫通孔6aを介して、ガラス製の基板9に設けられた開口4に連通されている。この開口4は不図示の駆動液タンクに接続されている。開口4は、例えば、PDMS(ポリジメチルシロキサン)のパッキンを介して駆動液タンクに接続される。
The upstream side of the
開口5a,5b,5cはそれぞれ、図4のマイクロリアクタの開口32c,32d,32eと連通される(なお、図2ではマイクロポンプユニット全体のうち一部分のみ示している)。マイクロポンプ2によって、流路10、開口5a、開口32cを通じて駆動液を送液して試薬収容部33aに収容された試薬を下流へ押し出し、流路10、開口5b、開
口32dを通じて駆動液を送液して試薬収容部33bに収容された試薬を下流へ押し出し、流路10、開口5c、開口32eを通じて駆動液を送液して試薬収容部33cに収容された試薬を下流へ押し出す。
The
試薬収容部33a〜33cに収容された試薬は、開口32c〜32eに連通するそれぞれ別途のマイクロポンプによって、試薬収容部33a〜33cの下流側端部に設けられた撥水バルブ(図示せず)を通過して合流部41へ流れ込み、その先に続く流路である試薬混合流路35で3種類の各試薬が混合される。
Reagents stored in the
試薬混合流路35で混合され混合試薬送出流路36に送り出された混合試薬は、流路状の試料受容部37に収容された試料と合流部38で合流する。なお、混合試薬は開口32bに連通したマイクロポンプ2によって駆動液で下流へ押し出され、試料は開口32aに連通したマイクロポンプ2によって駆動液で下流へ押し出される。混合試薬と試料との混合液は、反応部39へ送出され、加熱によって遺伝子増幅反応が開始される。
The mixed reagent mixed in the reagent
反応後の液は、検出部40へ送出され、例えば光学的な検出方法などによって標的物質が検出される。なお、開口32f〜32jに連通するそれぞれ別途のマイクロポンプ2によって、これらの開口から先の流路に予め収容された各試薬(例えば混合試薬と試料との反応を停止させる液、検出対象の物質に対して標識などの必要な処理を行うための液、洗浄液など)を所定のタイミングで下流へ押し出して送液するようにしている。
The liquid after the reaction is sent to the
図2のマイクロポンプ2におけるA方向の送液は、試薬同士の合流、反応部39への試薬および試料の送液など、マイクロリアクタ30の流路内にある反応、検出に用いる液体を下流へ押して送液する際に用いられる。
In the
一方、B方向の送液は、反応部39などで試薬を前後に揺らしたり、下流へ進め過ぎた液体を少し戻したりする場合等に用いられるが、A方向への送液と比べれば使用頻度は低いので、多少送液速度が遅くても実用上の問題は起こりにくい。
On the other hand, the liquid feeding in the B direction is used when the reagent is shaken back and forth in the
本実施例の電圧波形によってマイクロポンプ2を制御すれば、マイクロリアクタ30内の流路においてA方向への素早い送液が実行でき、さらに、B方向への送液時にもマイクロポンプ2のポンプ室には気泡が発生しにくい。
If the
以上、実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明はこの実施例に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において各種の変形、変更が可能である。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on the Example, this invention is not limited to this Example, In the range which does not deviate from the summary, various deformation | transformation and a change are possible.
1 マイクロポンプユニット
2 マイクロポンプ
3 チップ接続部
4 開口
5a〜5c 開口
6a,6b 貫通孔
7 基板
8 基板
9 基板
10 流路
11 ピエゾアクチュエータ
12 加圧室
13 第1流路
14 第2流路
15 第1液室
16 第2液室
30 マイクロリアクタ
32a〜32k 開口
33a〜33c 試薬収容部
35 試薬混合流路
36 混合試薬送出流路
37 試料受容部
38 合流部
39 反応部
40 検出部
41 合流部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合が第1流路よりも小さい第2流路と、
第1流路および第2流路に接続された加圧室と、
該加圧室の内部圧力を変化させるアクチュエータと、
を備えたマイクロポンプを用いて液体を双方向へ送液する方法であって、
略台形状の電圧波形が繰り返される第1の駆動電圧波形によってアクチュエータを駆動して第1流路から第2流路に向かう方向へ液体を送液するとともに、
略台形状の電圧波形が繰り返される第2の駆動電圧波形によってアクチュエータを駆動して第2流路から第1流路に向かう方向へ液体を送液し、
第1の駆動電圧波形における電圧の立ち上り時間を、第2の駆動電圧波形における電圧の立ち下り時間よりも短くすることを特徴とするマイクロポンプによる送液方法。 A first flow path in which the flow path resistance changes according to the differential pressure;
A second flow path whose rate of change in flow path resistance with respect to a change in differential pressure is smaller than the first flow path;
A pressurization chamber connected to the first flow path and the second flow path;
An actuator for changing the internal pressure of the pressurizing chamber;
A method of sending liquid in both directions using a micropump equipped with
The actuator is driven by a first drive voltage waveform in which a substantially trapezoidal voltage waveform is repeated, and liquid is fed in the direction from the first flow path to the second flow path,
The actuator is driven by a second drive voltage waveform in which a substantially trapezoidal voltage waveform is repeated, and liquid is fed in the direction from the second flow path to the first flow path,
A liquid feeding method using a micropump, characterized in that the voltage rise time in the first drive voltage waveform is shorter than the voltage fall time in the second drive voltage waveform.
前記第1の駆動電圧波形によってアクチュエータを駆動して第1流路から第2流路に向かう方向へ駆動液を送液し、前記駆動液注入部からマイクロリアクタの流路内に注入された駆動液によって前記反応に用いる液体を下流へ押して送液することを特徴とする請求項1に記載のマイクロポンプによる送液方法。 A driving liquid injection unit provided upstream of the microreactor to which the liquid used for the reaction is sent in the flow path in the plate-shaped chip is connected to the second flow path side of the micropump,
The actuator is driven by the first driving voltage waveform, the driving liquid is sent in the direction from the first flow path to the second flow path, and the driving liquid injected from the driving liquid injection portion into the flow path of the microreactor. The liquid feeding method using a micropump according to claim 1, wherein the liquid used for the reaction is pushed downstream and fed.
差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合が第1流路よりも小さい第2流路と、
第1流路および第2流路に接続された加圧室と、
該加圧室の内部圧力を変化させるアクチュエータと、
を備えた液体を双方向へ送液可能なマイクロポンプと、
(ii)アクチュエータを駆動するための、略台形状の電圧波形が繰り返される第1の駆動電圧波形および第2の駆動電圧波形を生成する手段と、
を備え、
第1の駆動電圧波形における電圧の立ち上り時間は、第2の駆動電圧波形における電圧の立ち下り時間よりも短く、
第1の駆動電圧波形によってアクチュエータを駆動して第1流路から第2流路に向かう方向へ液体を送液し、
第2の駆動電圧波形によってアクチュエータを駆動して第2流路から第1流路に向かう方向へ液体を送液することを特徴とするマイクロポンプによる送液システム。 (I) a first flow path in which the flow path resistance changes according to the differential pressure;
A second flow path whose rate of change in flow path resistance with respect to a change in differential pressure is smaller than the first flow path;
A pressurization chamber connected to the first flow path and the second flow path;
An actuator for changing the internal pressure of the pressurizing chamber;
A micropump that can feed liquids with
(Ii) means for generating a first drive voltage waveform and a second drive voltage waveform in which a substantially trapezoidal voltage waveform for driving the actuator is repeated;
With
The voltage rise time in the first drive voltage waveform is shorter than the voltage fall time in the second drive voltage waveform,
The actuator is driven by the first drive voltage waveform to send liquid in the direction from the first flow path to the second flow path,
A liquid feed system using a micropump, wherein the actuator is driven by a second drive voltage waveform to feed liquid in a direction from the second flow path toward the first flow path.
マイクロリアクタの流路上流には、前記反応に用いる液体を送液するための駆動液が注入される駆動液注入部が設けられ、
前記マイクロポンプの第2流路側に、マイクロリアクタの駆動液注入部が連通され、
前記第1の駆動電圧波形によってアクチュエータを駆動して第1流路から第2流路に向かう方向へ駆動液を送液し、駆動液注入部からマイクロリアクタの流路内に注入された駆動液によって前記反応に用いる液体を下流へ押して送液することを特徴とする請求項4に記載のマイクロポンプによる送液システム。 A liquid used for the reaction is previously stored in the flow path in the plate-shaped chip, and includes a microreactor in which a reaction using a reagent is performed in the flow path.
In the upstream of the flow path of the microreactor, a driving liquid injecting unit for injecting a driving liquid for sending the liquid used for the reaction is provided,
A driving liquid injection part of the microreactor communicates with the second flow path side of the micropump,
The actuator is driven by the first drive voltage waveform to send the drive liquid in the direction from the first flow path to the second flow path, and the drive liquid injected from the drive liquid injection section into the flow path of the microreactor 5. The liquid feeding system using a micropump according to claim 4, wherein the liquid used for the reaction is pushed downstream and fed.
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