JP6976569B2 - Micropump and its drive - Google Patents

Description

Translated fromJapanese

本発明は、マイクロポンプとその駆動装置に関する。 The present invention relates to a micropump and a driving device thereof.

病気を早期発見するためには、自覚症状として現れない体内の状態を把握する必要があり、その検査方法として、一般的には血液検査が行われている。血液検査は、体内の状態をリアルタイムで知るための有効な手段であるが、採血時に痛みや不快感を伴う。また、血液検査を行うためには、患者自身が病院に行く必要があり、定期的な血液検査を必要とする患者にとっては精神的・肉体的な負担となる。 In order to detect a disease at an early stage, it is necessary to grasp the state of the body that does not appear as a subjective symptom, and a blood test is generally performed as a test method. Blood tests are an effective way to know the condition of the body in real time, but they cause pain and discomfort when collecting blood. In addition, in order to perform a blood test, the patient must go to the hospital himself, which is a mental and physical burden for the patient who needs a regular blood test.

夏場に現れる蚊は、動物から、気付かれることなく血を抜き取る能力を有している。工業的観点からいえば、蚊は、非常に優れた小型ポンプとしての機能を備えていることになる。したがって、蚊による採血プロセスを、動物の血液検査に応用することは、低侵襲医療における大きな一歩となる。 Mosquitoes that appear in the summer have the ability to unnoticed blood from animals. From an industrial point of view, mosquitoes have the function of a very good small pump. Therefore, applying the mosquito blood sampling process to animal blood tests is a major step in minimally invasive medicine.

本発明者らは、低侵襲採血を実現し得るデバイスとして、マイクロポンプ（非特許文献１参照）に着目し、電気化学的バブル型マイクロポンプについての研究開発を行っている。図７は、従来の電気化学的バブル型マイクロポンプ３００の分解図である。電気化学的バブル型ポンプ３００は、薄膜の電極部３０４が形成されたガラス基板３０１、電極部３０４の活性部以外の部分を覆うポリイミド絶縁層３０２、微小流路３０８が形成されたポリジメチルシロキサン層３０３を備えている。微小流路３０８内に導入された電解液を電気分解して気体の生成・消滅を促し、この気体の体積変化を利用して微小流体の押出し・吸引が行われる。 The present inventors have focused on a micropump (see Non-Patent Document 1) as a device capable of realizing minimally invasive blood sampling, and are conducting research and development on an electrochemical bubble-type micropump. FIG. 7 is an exploded view of a conventional electrochemicalbubble type micropump 300. The electrochemicalbubble type pump 300 includes aglass substrate 301 on which a thinfilm electrode portion 304 is formed, apolyimide insulating layer 302 covering a portion other than the active portion of theelectrode portion 304, and a polydimethylsiloxane layer in which amicrochannel 308 is formed. It is equipped with 303. The electrolytic solution introduced into themicrochannel 308 is electrolyzed to promote the generation and extinction of gas, and the volume change of this gas is used to extrude and suck the microfluidic.

D.J.Laser and J.G.Santiago, A review of micropumps. J.Micromech. Microeng 14 (2004) R35-R64D.J.Laser and J.G.Santiago, A review of micropumps. J.Micromech. Microeng 14 (2004) R35-R64

実用性を考慮した場合、血液検査に用いる電気化学的バブル型マイクロポンプは、構造と動作が単純であり、かつ安価であることが求められ、その点において、気体の体積変化を利用した従来の電気化学的バブル型マイクロポンプ３００は好適である。しかしながら、電気化学的バブル型マイクロポンプ３００では、電極部３０４を構成する３つの電極（参照極３０５、作用極３０６、対極３０７）が、それぞれ別々の区画に配置されているため、成長した気体によって断線が生じたり、これによる電解液中の電圧降下により、作用極に効果的に電位が印加されない場合がある。その場合、電極間に電流が流れにくくなり、さらなる気体の生成・消滅が滞ってしまうことになるため、気体の体積変化を利用した流体の押出し・吸引をスムーズに行えなくなってしまう。 Considering practicality, the electrochemical bubble type micropump used for blood tests is required to have a simple structure and operation, and is inexpensive, and in that respect, the conventional one using the volume change of gas is used. The electrochemicalbubble type micropump 300 is suitable. However, in the electrochemicalbubble type micropump 300, since the three electrodes (reference electrode 305, workingelectrode 306, and counter electrode 307) constituting theelectrode portion 304 are arranged in separate compartments, the grown gas causes the electrochemicalbubble type micropump 300. The potential may not be effectively applied to the working electrode due to disconnection or a voltage drop in the electrolytic solution due to this. In that case, it becomes difficult for the current to flow between the electrodes, and the generation / annihilation of further gas is delayed, so that the fluid cannot be smoothly extruded / sucked by utilizing the change in the volume of the gas.

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、微小流体の押出し・吸引をスムーズに行うことが可能なマイクロポンプと、その駆動装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a micropump capable of smoothly extruding and sucking a minute fluid, and a driving device thereof.

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
（１）本発明の一態様に係るマイクロポンプは、参照極、作用極、および対極を有する電極部が形成された基板と、前記基板上の前記電極部の活性部以外の部分を被覆する絶縁部材と、前記電極部および前記絶縁部材を被覆し、前記基板側の面において前記電極部の一部と重なる位置に、流体の流路を有する流路形成部材と、前記流路内に収容された電解液と、を備え、前記電極部の前記流路と重なる領域において、前記参照極が、前記対極側に櫛型の第１凹凸構造を有し、前記対極が、前記参照極側に櫛型の第２凹凸構造を有し、前記第１凹凸構造と前記第２凹凸構造とが、隙間を空けて互い違いに重なるように配され、前記作用極が、前記参照極と前記対極との間に、前記隙間の形状に沿って延在しており、前記流路形成部材には、前記流体の流路と外部とを連通する連通孔が設けられている。The present invention provides the following means for solving the above problems.
(1) In the micropump according to one aspect of the present invention, the substrate on which the electrode portion having the reference electrode, the working electrode, and the counter electrode is formed and the insulation covering the portion other than the active portion of the electrode portion on the substrate. A flow path forming member that covers the member, the electrode portion, and the insulating member, and has a fluid flow path at a position that overlaps a part of the electrode portion on the surface on the substrate side, and is housed in the flow path. The reference electrode has a comb-shaped first concavo-convex structure on the counter electrode side, and the counter electrode is combed on the reference electrode side in a region overlapping the flow path of the electrode portion. The mold has a second concavo-convex structure, and the first concavo-convex structure and the second concavo-convex structure are arranged so as to be alternately overlapped with each other with a gap, and the working electrode is located between the reference electrode and the counter electrode. The flow path forming member is provided with a communication hole for communicating the flow path of the fluid with the outside.

（２）（１）に記載のマイクロポンプは、前記電極部の前記流路と重なる位置において、前記参照極と前記作用極との距離、前記対極と前記作用極との距離は、それぞれ５０μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましい。(2) In the micropump according to (1), the distance between the reference electrode and the working electrode and the distance between the counter electrode and the working electrode are 50 μm or more at the position where the electrode portion overlaps with the flow path. It is preferably 200 μm or less.

（３）（１）または（２）のいずれかに記載のマイクロポンプは、前記流路形成部材側からの平面視において、前記第１凹凸構造、前記第２凹凸構造を構成する凹部および凸部は、矩形であることが好ましい。(3) The micropump according to any one of (1) and (2) has a concave portion and a convex portion constituting the first concave-convex structure and the second concave-convex structure in a plan view from the flow path forming member side. Is preferably rectangular.

（４）本発明の一態様に係る測定装置は、（１）〜（３）のいずれか一つに記載のマイクロポンプと、前記連通孔を介して、前記流路内に流体を供給する流体供給手段と、前記参照極、前記作用極、および前記対極のそれぞれの電位を制御する電位制御手段と、を備えている。(4) The measuring device according to one aspect of the present invention is a fluid that supplies a fluid into the flow path through the micropump according to any one of (1) to (3) and the communication hole. It includes a supply means and a potential control means for controlling the potentials of the reference electrode, the working electrode, and the counter electrode.

本発明によれば、微小流体の押出し・吸引をスムーズに行うことが可能なマイクロポンプと、その駆動装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a micropump capable of smoothly extruding and sucking a minute fluid, and a driving device thereof.

本発明の一実施形態に係るマイクロポンプの分解図である。It is an exploded view of the micro pump which concerns on one Embodiment of this invention.本発明の一実施形態に係るマイクロポンプの平面図である。It is a top view of the micropump which concerns on one Embodiment of this invention.（ａ）図２のマイクロポンプの一断面を拡大した図である。（ｂ）（ａ）のマイクロポンプの一断面を拡大した図である。(A) is an enlarged view of one cross section of the micropump of FIG. (B) It is an enlarged view of one cross section of the micropump of (a).マイクロポンプを動作させたときの電極反応部を拡大した図である。It is the enlarged figure of the electrode reaction part at the time of operating a micro pump.本発明の一実施形態に係るマイクロポンプによる、微小流体の押出し速度を示すグラフである。It is a graph which shows the extrusion speed of the minute fluid by the micropump which concerns on one Embodiment of this invention.本発明の一実施形態に係るマイクロポンプによる、微小流体の吸引速度を示すグラフである。It is a graph which shows the suction speed of a minute fluid by the micro pump which concerns on one Embodiment of this invention.従来のマイクロポンプの分解図である。It is an exploded view of a conventional micropump.

以下、本発明について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図は、本発明の特徴を分かりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等は実際とは異なっていることがある。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. In the figure used in the following description, in order to make the features of the present invention easy to understand, the featured portions may be enlarged for convenience, and the dimensional ratios of each component may differ from the actual ones. There is. Further, the materials, dimensions, etc. exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited thereto, and can be appropriately modified and carried out within the range in which the effect of the present invention is exhibited. ..

図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロポンプ１００の分解図である。マイクロポンプ１００は、基板１０１の一方の主面１０１ａ上に、絶縁部材１０２と流路形成部材１０３とを順に備えてなる。ここでは、マイクロポンプ１００の構造を説明するため、基板１０１、絶縁部材１０２、流路形成部材１０３を分離して示しているが、少なくともマイクロポンプ１００の動作時において、これらは合体しているものとする。 FIG. 1 is an exploded view of amicropump 100 according to an embodiment of the present invention. Themicropump 100 includes aninsulating member 102 and a flowpath forming member 103 in this order on onemain surface 101a of thesubstrate 101. Here, in order to explain the structure of themicropump 100, thesubstrate 101, theinsulating member 102, and the flowpath forming member 103 are shown separately, but they are united at least during the operation of themicropump 100. And.

基板１０１の材料としては、例えば、ガラス、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、アクリル、ポリイミド等が用いられる。基板１０１の形状、大きさについては、特に限定されないが、可能な限りコンパクトで、かつ取り扱いが容易なように、縦横の寸法は１〜４ｃｍ程度であるのが好ましい。 As the material of thesubstrate 101, for example, glass, polyethylene terephthalate (PET), acrylic, polyimide and the like are used. The shape and size of thesubstrate 101 are not particularly limited, but the vertical and horizontal dimensions are preferably about 1 to 4 cm so as to be as compact as possible and easy to handle.

基板１０１の一方の主面１０１ａには、３つの電極（参照極１０５、作用極１０６、対極１０７）を有する電極部１０４が形成されている。これらの電極の形成は、フォトリソグラフィ、スクリーン印刷等の公知の方法を用いて行うことができる。参照極１０５の材料としては、銀および塩化銀が用いられる。作用極１０６の材料としては、白金黒が用いられる。対極１０７の材料としては、白金が用いられる。なお、図１において、参照極１０５と対極１０７の位置は入れ替わっていてもよい。 Anelectrode portion 104 having three electrodes (reference electrode 105, workingelectrode 106, counter electrode 107) is formed on onemain surface 101a of thesubstrate 101. The formation of these electrodes can be performed by using known methods such as photolithography and screen printing. As the material of thereference electrode 105, silver and silver chloride are used. Platinum black is used as the material of the workingelectrode 106. Platinum is used as the material for thecounter electrode 107. In FIG. 1, the positions of thereference electrode 105 and thecounter electrode 107 may be interchanged.

電極部１０４のうち、電解液を介して電気化学反応を起こさせる部分（以下では電極反応部と呼ぶ）は、流路形成部材１０３部に形成される流路１０８と重なる領域１０８Ａに沿って延在している。参照極１０５、作用極１０６、対極１０７は、それぞれ測定用のパッド部１０５ａ、１０６ａ、１０７ａを有しており、それぞれの電極反応部においては、互いに近接するように配置されている。 The portion of theelectrode portion 104 that causes an electrochemical reaction via the electrolytic solution (hereinafter referred to as an electrode reaction portion) extends along aregion 108A that overlaps with theflow path 108 formed in the flowpath forming member 103 portion. It exists. Thereference electrode 105, the workingelectrode 106, and thecounter electrode 107 havepad portions 105a, 106a, and 107a for measurement, respectively, and are arranged so as to be close to each other in the respective electrode reaction portions.

絶縁部材１０２は、基板１０１上の電極部１０４の活性部以外の部分（具体的にはパッド部および電極反応部以外の部分）を被覆するように、基板１０１の一方の主面１０１ａ側に取り付けられている。絶縁部材１０２は、電極同士の間、あるいは各電極と外部との間を電気的に絶縁する役割を担っている。絶縁部材１０２は、厚さ方向に貫通する貫通部１０２ａを有しており、基板１０１に取り付けられた時点では、パッド部および電極反応部が、この貫通部１０２ａから露出した状態となっている。 Theinsulating member 102 is attached to onemain surface 101a side of thesubstrate 101 so as to cover a portion of theelectrode portion 104 on thesubstrate 101 other than the active portion (specifically, a portion other than the pad portion and the electrode reaction portion). Has been done. Theinsulating member 102 plays a role of electrically insulating between the electrodes or between each electrode and the outside. The insulatingmember 102 has a penetratingportion 102a penetrating in the thickness direction, and when the insulatingmember 102 is attached to thesubstrate 101, the pad portion and the electrode reaction portion are exposed from the penetratingportion 102a.

絶縁部材１０２の材料としては、ポリイミド、窒化シリコン、酸化シリコン、フォトレジスト等が用いられる。 As the material of the insulatingmember 102, polyimide, silicon nitride, silicon oxide, photoresist and the like are used.

図２は、図１に示す基板１０１、絶縁部材１０２、流路形成部材１０３を合体させてなるマイクロポンプ１００を、流路形成部材１０３側から見た平面図である。流路形成部材１０３は、絶縁部材１０２および電極部１０４（パッド部１０５ａ、１０６ａ、１０７ａを除く）を被覆するように、絶縁部材１０２に対して取り付けられている。 FIG. 2 is a plan view of themicropump 100, which is formed by combining thesubstrate 101, the insulatingmember 102, and the flowpath forming member 103 shown in FIG. 1, as viewed from the flowpath forming member 103 side. The flowpath forming member 103 is attached to the insulatingmember 102 so as to cover the insulatingmember 102 and the electrode portion 104 (excluding thepad portions 105a, 106a, 107a).

流路形成部材１０３は、基板１０１側の面に所定の方向に延在する凹部１０８を有している。この凹部１０８は、マイクロポンプ１００を用いて微小流体（以下では、単に流体と呼ぶ）の押出しまたは吸引を行う際に、流体の流路として機能するものである。以下では、この凹部１０８を流路１０８と呼ぶ。流路形成部材１０３には、流体の流路１０８と外部とを連通する連通孔１０９が設けられている。 The flowpath forming member 103 has arecess 108 extending in a predetermined direction on the surface on thesubstrate 101 side. Therecess 108 functions as a fluid flow path when themicropump 100 is used to extrude or suck a minute fluid (hereinafter, simply referred to as a fluid). Hereinafter, thisrecess 108 is referred to as aflow path 108. The flowpath forming member 103 is provided with acommunication hole 109 that communicates thefluid flow path 108 with the outside.

流路形成部材１０３の材料としては、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、アクリル等が用いられる。流路形成部材１０３の厚さは、１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。 As the material of the flowpath forming member 103, polydimethylsiloxane (PDMS), polyethylene terephthalate (PET), acrylic and the like are used. The thickness of the flowpath forming member 103 is preferably 1 mm or more and 2 mm or less.

少なくともマイクロポンプ１００の動作時において、基板１０１と絶縁部材１０２、絶縁部材１０２と流路形成部材１０３は、それぞれ互いに固定されていることが好ましい。固定は、接着剤を用いて行ってもよいし、それぞれの互いに対向する位置に嵌合部を設け、それを用いて行ってもよい。 At least during the operation of themicropump 100, it is preferable that thesubstrate 101 and the insulatingmember 102, and the insulatingmember 102 and the flowpath forming member 103 are fixed to each other. The fixing may be performed by using an adhesive, or by providing fitting portions at positions facing each other and using the fitting portions.

図３（ａ）は、マイクロポンプ１００の電極部１０４が露出する断面において、流体の流路１０８と重なる領域１０８Ａの一部を拡大した図である。参照極１０５は、その電極反応部１０５ｂにおいて、対極１０７側に、凹部と凸部が交互に並ぶように形成された、櫛型の第１凹凸構造１０５ｃを有している。対極１０７は、その電極反応部１０７ｂにおいて、参照極１０５側に、凹部と凸部が交互に並ぶように形成された、櫛型の第２凹凸構造１０７ｃを有している。 FIG. 3A is an enlarged view of a part of theregion 108A overlapping thefluid flow path 108 in the cross section where theelectrode portion 104 of themicropump 100 is exposed. Thereference electrode 105 has a comb-shaped first concave-convex structure 105c formed so that concave portions and convex portions are alternately arranged on thecounter electrode 107 side in theelectrode reaction portion 105b. Thecounter electrode 107 has a comb-shaped second concavo-convex structure 107c formed so that concave portions and convex portions are alternately arranged on thereference electrode 105 side in theelectrode reaction portion 107b.

第１凹凸構造１０５ｃと第２凹凸構造１０７ｃとは、略同一平面内で、隙間１１０を空けて互い違いに重なるように（かみ合うように）配されている。作用極１０６の電極反応部１０６ｂは、参照極１０５と対極１０７との間に、隙間１１０の形状に沿って延在している。 The first concavo-convex structure 105c and the second concavo-convex structure 107c are arranged so as to be alternately overlapped (meshed) with agap 110 in substantially the same plane. Theelectrode reaction portion 106b of the workingelectrode 106 extends between thereference electrode 105 and thecounter electrode 107 along the shape of thegap 110.

流路形成部材１０３側からの平面視において、第１凹凸構造１０５ｃ、第２凹凸構造１０７ｃを構成する凹部および凸部は、電極面積を大きくする観点および加工しやすくする観点においては矩形であることが好ましいが、台形、三角形等の他の形状であってもよい。 In a plan view from the flowpath forming member 103 side, the concave portions and convex portions constituting the first concave-convex structure 105c and the second concave-convex structure 107c are rectangular from the viewpoint of increasing the electrode area and facilitating processing. However, other shapes such as trapezoids and triangles may be used.

電極部１０４の流路１０８と重なる位置（電極反応部）において、参照極１０５と作用極１０６との距離１１０ａ、対極１０７と作用極１０６との距離１１０ｂは、いずれも５０μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましい。距離１１０ａ、１１０ｂが５０μｍより小さいと、作用極、対極からの反応生成物が流れ込みやすくなる。距離１１０ａ、１１０ｂが２００μｍより大きいと、無駄なスペースが増える。 At the position overlapping with theflow path 108 of the electrode portion 104 (electrode reaction portion), thedistance 110a between thereference electrode 105 and the workingelectrode 106 and thedistance 110b between thecounter electrode 107 and the workingelectrode 106 are both 50 μm or more and 200 μm or less. Is preferable. When thedistances 110a and 110b are smaller than 50 μm, the reaction products from the working electrode and the counter electrode tend to flow in. If thedistances 110a and 110b are larger than 200 μm, the wasted space increases.

図３（ｂ）は、図３（ａ）の電極反応部の一部について、α−α線を通る面で切断した場合の断面図である。参照極１０５、作用極１０６、対極１０７は、基板１０１と絶縁部材１０２と流路形成部材１０３とで囲まれる空間に収容されており、この空間には、少なくとも参照極１０５、作用極１０６、対極１０７が浸漬される程度に、電解液１１１が注入されている。 FIG. 3 (b) is a cross-sectional view of a part of the electrode reaction portion of FIG. 3 (a) when cut along a surface passing through α-α rays. Thereference pole 105, the workingpole 106, and thecounter electrode 107 are housed in a space surrounded by thesubstrate 101, the insulatingmember 102, and the flowpath forming member 103, and at least thereference pole 105, the workingpole 106, and the counter electrode are contained in this space. Theelectrolytic solution 111 is injected to the extent that 107 is immersed.

本実施形態に係るマイクロポンプ１００は、連通孔１０９に所定のチューブ、注射針等を介して流体供給源を接続し、電極部に所定の電圧を印加して駆動することにより、流体供給源から流路１０８内に、流体を吸引することができる。その応用例としては、連通孔１０９に注射針を接続し、この注射針を用いて動物から血液を採取する場合等が挙げられる。この場合、動物から血液を採取する際に、マイクロポンプ１００を駆動させることにより、マイクロポンプ１００による吸引の力が加わり、血液の採取速度を高めることができる。 Themicropump 100 according to the present embodiment is driven from the fluid supply source by connecting a fluid supply source to thecommunication hole 109 via a predetermined tube, an injection needle, or the like and applying a predetermined voltage to the electrode portion to drive themicropump 100. A fluid can be sucked into theflow path 108. An example of its application is a case where an injection needle is connected to thecommunication hole 109 and blood is collected from an animal using the injection needle. In this case, by driving themicropump 100 when collecting blood from an animal, the suction force of themicropump 100 is applied, and the blood collection speed can be increased.

また、本実施形態に係るマイクロポンプ１００は、連通孔１０９に所定のチューブ、注射針等を介して流体供給先に接続し、電極部に所定の電圧を印加して駆動することにより、流路１０８内から流体供給先に、流体を押し出すことができる。その応用例としては、予め流路１０８内の連通孔１０９付近に電極部が形成されていない空間を設けておき、ここに所定の薬液を収容し、連通孔１０９に注射針を接続し、この注射針を用いて動物に薬液を供給する場合等が挙げられる。この場合、動物に薬液を供給する際に、マイクロポンプ１００を駆動させることにより、マイクロポンプ１００による押出しの力が加わり、薬液の供給速度を高めることができる。 Further, themicropump 100 according to the present embodiment is connected to the fluid supply destination via a predetermined tube, injection needle, etc. in thecommunication hole 109, and is driven by applying a predetermined voltage to the electrode portion to drive the flow path. The fluid can be pushed out from within 108 to the fluid supply destination. As an application example thereof, a space in which an electrode portion is not formed is provided in advance in the vicinity of thecommunication hole 109 in theflow path 108, a predetermined chemical solution is accommodated therein, and an injection needle is connected to thecommunication hole 109. Examples include the case where a drug solution is supplied to an animal using an injection needle. In this case, by driving themicropump 100 when supplying the chemical solution to the animal, the pushing force of themicropump 100 is applied, and the supply speed of the chemical solution can be increased.

図４は、参照極１０５、作用極１０６、対極１０７のそれぞれに対し、所定の電圧を印加し、作用極１０６の電位を参照極１０５の電位より低くした時の電極反応部の一部を、流路形成部材１０３側から見た平面図である。流路１０８内の様子が見えるように、流路形成部材１０３の一部を透明化させている。図４に示すように、作用極１０６から発生した気体２０は、流路内１０８において、複数の塊になって分散し、参照極１０５、作用極１０６、対極１０７上のランダムな位置に堆積する。 FIG. 4 shows a part of the electrode reaction part when a predetermined voltage is applied to each of thereference electrode 105, the workingelectrode 106, and thecounter electrode 107 to make the potential of the workingelectrode 106 lower than the potential of thereference electrode 105. It is a top view seen from the flowpath forming member 103 side. A part of the flowpath forming member 103 is made transparent so that the inside of theflow path 108 can be seen. As shown in FIG. 4, thegas 20 generated from the workingelectrode 106 disperses in a plurality of agglomerates in theflow path 108, and is deposited at random positions on thereference electrode 105, the workingelectrode 106, and thecounter electrode 107. ..

図４では、電極反応部１０５ｂ、１０６ｂ、１０７ｂを、延在方向Ｄにおいて複数のユニット１１２に区分した上で、各ユニット１１２の導電状態を明示している。太い斜線で覆われているユニット１１２では、堆積した気体２０によって、電極反応部１０５ｂ、１０６ｂ、１０７ｂが絶縁されている。その他のユニット１１２では、電極反応部１０５ｂ、１０６ｂ、１０７ｂが絶縁されていない。 In FIG. 4, theelectrode reaction portions 105b, 106b, and 107b are divided into a plurality ofunits 112 in the extending direction D, and the conductive state of eachunit 112 is clearly shown. In theunit 112 covered with thick diagonal lines, theelectrode reaction portions 105b, 106b, and 107b are insulated by the depositedgas 20. In theother units 112, theelectrode reaction sections 105b, 106b, and 107b are not insulated.

電極反応部１０５ｂ、１０６ｂ、１０７ｂは、その延在方向Ｄにおける端から端までの長さが、概ね１００μｍ〜１ｍｍ以下程度である。これに対し、通常の想定される排出時間では、発生する気体の集まりの大きさ（幅）は、概ね５０μｍ〜５００μｍ程度である。したがって、電極反応によって発生した気体２０の集まりが、複数個所に分散したとしても、気体２０の集まりによって、全てのユニット１１２が覆われてしまう可能性は低い。そのため、図４に示すように、気体の集まりによって覆われていないユニット１１２が残ることになり、電極反応を維持することができる。 Theelectrode reaction portions 105b, 106b, and 107b have an end-to-end length in the extending direction D of about 100 μm to 1 mm or less. On the other hand, in the usual assumed discharge time, the size (width) of the generated gas aggregate is about 50 μm to 500 μm. Therefore, even if the aggregate of thegas 20 generated by the electrode reaction is dispersed in a plurality of places, it is unlikely that all theunits 112 will be covered by the aggregate of thegas 20. Therefore, as shown in FIG. 4, theunit 112 that is not covered by the gas collection remains, and the electrode reaction can be maintained.

以上のように、本実施形態に係るマイクロポンプ１００では、参照極１０５と作用極１０６、作用極１０６と対極１０７が、それぞれ近接した状態で、屈曲を繰り返しながら流路１０８に沿って延在している。そのため、従来の電気化学的バブル型マイクロポンプに比べて、電極反応部が拡張されており、発生した気体の集まりが基板１０１上の複数個所に分布したとしても、電極部全体が、気体の集まりによって同時に覆われる可能性を低くすることができる。したがって、電極部１０４の一部分が気体の集まりに覆われたとしても、他の覆われていない部分において電極反応を維持することができ、各電極において気体を滞りなく生成・消滅させることができる。そのため、微小流体の押出し・吸引をスムーズに行うことができる。 As described above, in themicropump 100 according to the present embodiment, thereference electrode 105 and the workingelectrode 106, and the workingelectrode 106 and thecounter electrode 107 extend along theflow path 108 while repeating bending in a state of being close to each other. ing. Therefore, compared to the conventional electrochemical bubble type micropump, the electrode reaction part is expanded, and even if the generated gas collection is distributed in a plurality of places on thesubstrate 101, the entire electrode part is a gas collection. It is possible to reduce the possibility of being covered at the same time. Therefore, even if a part of theelectrode portion 104 is covered with a collection of gas, the electrode reaction can be maintained in the other uncovered portion, and the gas can be generated and extinguished at each electrode without delay. Therefore, the fine fluid can be smoothly extruded and sucked.

本実施形態のマイクロポンプ１００を用いることによって、流体の押出し・吸引を、従来よりも高い速度で行うことができ、低侵襲の採血や薬剤注入を実現することが可能となる。 By using themicropump 100 of the present embodiment, the fluid can be extruded and sucked at a higher speed than before, and minimally invasive blood collection and drug injection can be realized.

以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。 Hereinafter, the effects of the present invention will be further clarified by examples. The present invention is not limited to the following examples, and can be appropriately modified and implemented without changing the gist thereof.

（実施例１）
以下の手順で、電位制御手段を用いて本発明のマイクロポンプ１００を駆動し、マイクロポンプ１００による流体のメニスカスの位置を測定した。(Example 1)
In the following procedure, themicropump 100 of the present invention was driven by using the potential control means, and the position of the meniscus of the fluid by themicropump 100 was measured.

まず、流体供給手段として、０．５Ｍの塩酸を収容したシリンジとチューブを準備し、シリンジからチューブを経由して、マイクロポンプ１００の流路１０８内に０．５Ｍの塩酸を供給した。 First, as a fluid supply means, a syringe and a tube containing 0.5 M hydrochloric acid were prepared, and 0.5 M hydrochloric acid was supplied from the syringe into theflow path 108 of themicropump 100 via the tube.

次に、銀および塩化銀からなる参照極１０５、白金黒からなる作用極１０６、白金からなる対極１０７をポテンショスタットに接続した上で、参照極１０５を基準電位として、作用極１０６に電圧を−０．８Ｖ印加し、このときの流体のメニスカスの位置を測定した。作用極１０６の電極反応部の面積は、９．９ｍｍ^２とした。Next, after connecting thereference pole 105 made of silver and silver chloride, the workingpole 106 made of platinum black, and thecounter electrode 107 made of platinum to the potentiostat, a voltage is applied to theworking pole 106 with thereference pole 105 as the reference potential. 0.8 V was applied and the position of the meniscus of the fluid at this time was measured. The area of the electrode reaction portion of the workingelectrode 106 was 9.9 mm² .

（比較例１）
マイクロポンプ１００を図７に示す従来のマイクロポンプ３００に置き換え、実施例１と同様の手順で、電位制御手段を用いてマイクロポンプ３００を駆動し、マイクロポンプ３００による流体のメニスカスの位置を測定した。基板３０１、絶縁部材３０２、流路形成部材３０３としては、実施例１と同様の材料からなるものを用いた。電極部３０４を構成する参照極３０５、作用極３０６、対極３０７については、それぞれ別々の区画に配置され、流路３０８の一部のみと重なっているものとした。マイクロポンプ３００の電極部と流路以外の構成については、マイクロポンプ１００の構成と同様である。(Comparative Example 1)
Themicropump 100 was replaced with theconventional micropump 300 shown in FIG. 7, themicropump 300 was driven by using the potential control means in the same procedure as in the first embodiment, and the position of the meniscus of the fluid was measured by themicropump 300. .. As thesubstrate 301, the insulatingmember 302, and the flowpath forming member 303, those made of the same material as in Example 1 were used. Thereference electrode 305, the workingelectrode 306, and thecounter electrode 307 constituting theelectrode portion 304 are arranged in separate sections and overlap with only a part of theflow path 308. The configuration other than the electrode portion and the flow path of themicropump 300 is the same as the configuration of themicropump 100.

図５は、実施例１、比較例１のマイクロポンプ１００、３００における流体の押出し速度の測定結果を示すグラフである。グラフの横軸は経過時間（秒）を示し、グラフの縦軸はメニスカスの位置の変化量（ｍｍ）を示している。作用極に−０．８Ｖを印加し始めてから約４０秒が経過した時点で、メニスカスの位置の変化量は、実施例１で４１．２ｍｍ、比較例１で９．１ｍｍとなっている。つまり、本発明のマイクロポンプ１００による押出し速度が、従来のマイクロポンプ３００による押出し速度に比べて、約４倍以上も向上している。 FIG. 5 is a graph showing measurement results of fluid extrusion speeds in themicropumps 100 and 300 of Example 1 and Comparative Example 1. The horizontal axis of the graph shows the elapsed time (seconds), and the vertical axis of the graph shows the amount of change in the position of the meniscus (mm). When about 40 seconds have passed since the application of −0.8 V to the working electrode was started, the amount of change in the position of the meniscus was 41.2 mm in Example 1 and 9.1 mm in Comparative Example 1. That is, the extrusion speed of themicropump 100 of the present invention is improved by about four times or more as compared with the extrusion speed of theconventional micropump 300.

このような効果が得られる理由としては、電極反応部が大きく、気体に覆われずに電極反応を維持している部分が多いため、流体の押出しに用いる気体をスムーズに生成させられることが挙げられる。また、同効果が得られる理由としては、参照極、作用極、対極が互いに接近していることにより、気体を発生させるための電極反応速度が向上していることも挙げられる。 The reason why such an effect can be obtained is that the electrode reaction part is large and there are many parts where the electrode reaction is maintained without being covered with gas, so that the gas used for extruding the fluid can be smoothly generated. Be done. Further, the reason why the same effect can be obtained is that the reference electrode, the working electrode, and the counter electrode are close to each other, so that the electrode reaction rate for generating a gas is improved.

図６は、実施例１、比較例１のマイクロポンプ１００、３００における流体の吸引速度の測定結果を示すグラフである。グラフの横軸は経過時間（秒）を示し、グラフの縦軸はメニスカスの位置の変化量（ｍｍ）を示している。作用極に＋０．４Ｖを印加し始めてから約４０秒が経過した時点で、メニスカスの位置の変化量は、実施例１で１７．５ｍｍ、比較例１で８．７ｍｍとなっている。つまり、本発明のマイクロポンプ１００による吸引速度が、従来のマイクロポンプ３００による吸引速度に比べて、約２倍以上も向上している。 FIG. 6 is a graph showing the measurement results of the suction speed of the fluid in themicropumps 100 and 300 of Example 1 and Comparative Example 1. The horizontal axis of the graph shows the elapsed time (seconds), and the vertical axis of the graph shows the amount of change in the position of the meniscus (mm). When about 40 seconds have passed since the application of + 0.4 V to the working electrode was started, the amount of change in the position of the meniscus was 17.5 mm in Example 1 and 8.7 mm in Comparative Example 1. That is, the suction speed of themicropump 100 of the present invention is improved by about twice or more as compared with the suction speed of theconventional micropump 300.

このような効果が得られる理由としては、電極反応部が大きく、気体に覆われずに電極反応を維持している部分が多いため、流体を吸引する妨げとなる気体をスムーズに消滅させられることが挙げられる。また、同効果が得られる理由としては、電極反応部が大きいことにより、気体を消滅させられる領域が大きくなることも挙げられる。 The reason why such an effect can be obtained is that the electrode reaction part is large and there are many parts where the electrode reaction is maintained without being covered with the gas, so that the gas that hinders the suction of the fluid can be smoothly extinguished. Can be mentioned. Further, the reason why the same effect can be obtained is that the region where the gas can be extinguished becomes large due to the large electrode reaction portion.

本発明は、マイクロポンプは、マイクロ分析チップ上での送液を行う一般的なデバイス等において、広く活用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The micropump can be widely utilized in a general device or the like that feeds a liquid on a microanalytical chip.

１００、３００・・・マイクロポンプ
１０１、３０１・・・基板
１０１ａ・・・基板の一方の主面
１０２、３０２・・・絶縁部材
１０３、３０３・・・流路形成部材
１０４、３０４・・・電極部
１０５、３０５・・・参照極
１０５ａ、１０６ａ、１０７ａ・・・パッド部
１０５ｂ、１０６ｂ、１０７ｂ・・・電極反応部
１０５ｃ・・・第１凹凸構造
１０６、３０６・・・作用極
１０７、３０７・・・対極
１０７ｃ・・・第２凹凸構造
１０８、３０８・・・流路
１０８Ａ・・・流路と重なる領域
１０９・・・連通孔
１１０・・・隙間
１１０ａ、１１０ｂ・・・距離
１１１・・・電解液
１１２・・・ユニット100, 300 ...Micropump 101, 301 ...Substrate 101a ... Onemain surface 102, 302 ... Insulatingmember 103, 303 ... Flowpath forming member 104, 304 ...Electrode Parts 105, 305 ...Reference electrodes 105a, 106a, 107a ...Pad parts 105b, 106b, 107b ...Electrode reaction parts 105c ... Firstuneven structure 106, 306 ... Workingpoles 107, 307.Counter electrode 107c ... Seconduneven structure 108, 308 ... Flowpath 108A ... Region overlapping with theflow path 109 ...Communication hole 110 ...Gap 110a, 110b ... Distance 111 ...Electrolyte 112 ... Unit

Claims (4)

Translated fromJapanese

参照極、作用極、および対極を有する電極部が形成された基板と、
前記基板上の前記電極部の活性部以外の部分を被覆する絶縁部材と、
前記電極部および前記絶縁部材を被覆し、前記基板側の面において前記電極部の一部と重なる位置に、流体の流路を有する流路形成部材と、
前記流路内に収容された電解液と、を備え、
前記電極部の前記流路と重なる領域において、
前記参照極が、前記対極側に櫛型の第１凹凸構造を有し、
前記対極が、前記参照極側に櫛型の第２凹凸構造を有し、
前記第１凹凸構造と前記第２凹凸構造とが、隙間を空けて互い違いに重なるように配され、
前記作用極が、前記参照極と前記対極との間に、前記隙間の形状に沿って延在しており、
前記流路形成部材には、前記流体の流路と外部とを連通する連通孔が設けられていることを特徴とするマイクロポンプ。A substrate on which an electrode portion having a reference electrode, a working electrode, and a counter electrode is formed,
An insulating member that covers a portion of the substrate other than the active portion of the electrode portion and
A flow path forming member that covers the electrode portion and the insulating member and has a fluid flow path at a position that overlaps a part of the electrode portion on the surface on the substrate side.
The electrolytic solution contained in the flow path is provided.
In the region of the electrode portion that overlaps with the flow path,
The reference electrode has a comb-shaped first uneven structure on the counter electrode side.
The counter electrode has a comb-shaped second uneven structure on the reference electrode side.
The first concavo-convex structure and the second concavo-convex structure are arranged so as to be alternately overlapped with a gap.
The working electrode extends along the shape of the gap between the reference electrode and the counter electrode.
The micropump is characterized in that the flow path forming member is provided with a communication hole for communicating the flow path of the fluid with the outside. 前記電極部の前記流路と重なる位置において、前記参照極と前記作用極との距離、前記対極と前記作用極との距離は、それぞれ５０μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。 The first aspect of the present invention is characterized in that the distance between the reference electrode and the working electrode and the distance between the counter electrode and the working electrode are 50 μm or more and 200 μm or less, respectively, at a position where the electrode portion overlaps with the flow path. The described micropump. 前記流路形成部材側からの平面視において、前記第１凹凸構造、前記第２凹凸構造を構成する凹部および凸部は、矩形であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のマイクロポンプ。 6. Micropump. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のマイクロポンプと、
前記連通孔を介して、前記流路内に流体を供給する流体供給手段と、
前記参照極、前記作用極、および前記対極のそれぞれの電位を制御する電位制御手段と、を備えていることを特徴とするマイクロポンプの駆動装置。The micropump according to any one of claims 1 to 3 and
A fluid supply means for supplying a fluid into the flow path through the communication hole,
A drive device for a micropump, comprising: a potential control means for controlling the potentials of the reference electrode, the working electrode, and the counter electrode.

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