JP2005331410A - 疎水面を利用した微量液滴輸送デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】
２種類の疎水面を組み合わせて疎水領域での表面張力勾配を構築し、生体液滴の輸送を可能とする微量液滴輸送デバイスを提供する。
【解決手段】
基板１１上面には、液滴が流れる流路が配設される。この流路は、上流側を第１の疎水面で、下流側を第１の疎水面１２ａより接触角が小さい第２の疎水面１２ｂで構成する。また、上流と下流の中間部分は、第１の疎水面１２ａと第２の疎水面１２ｂとを混在させて構成する。そして、上流側から下流側に向かって、第２の疎水面１２ｂの面積が連続的に増加するように構成する。基板１１上面の流路の上流側に微量液滴を滴下すると、上流側から下流側に向かって液滴が流れる。第１の疎水面１２ａおよび第２の疎水面１２ｂは接触角が１４０〜１８０度の強い疎水性を有している。これにより、流路に液滴の成分などが吸着することなく確実に一方向に液滴を輸送することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は疎水面を利用した微量液滴輸送デバイス、詳しくは表面張力を利用して微量液滴を一方向に輸送するデバイスの技術に関する。

半導体の微細加工技術を利用してシリコン基板上やガラス基板上に微小な流路やバルブなどを構築することにより、血液や尿の分析による医療診断や健康管理、環境因子の分析による環境モニタリングなどを可能とする分析チップを創出することが可能である。このような分析チップにおいては、分析の高速化、被験者の負担低減、試薬や廃液の少量化のために、検体量をなるべく少なくし、極めて微量な液滴の状態で分析できることが望まれる。したがって、このような分析チップを実現するには、チップ内で微量液滴を輸送する技術が必要不可欠である。
微量液滴を輸送する従来技術としては、外部からの空気圧を利用する方法、誘電泳動を利用した電気的手法、静電気力や熱、光を利用して液滴前後の表面張力に差を与える方法などが存在する。
申請者はすでに、非特許文献１に示すように、シリコン基板やガラス基板上に親水性材料と疎水性材料をパターニングすることにより表面張力の勾配を形成し、この面上に置かれた液滴前後の接触角の違いを駆動力とした、他にエネルギー源を必要としない簡便で安価な微量液滴輸送技術を実現している。

Takashi Yasuda, Koichi Suzuki, and Isao Shimoyama, Automatic Transportation of a Droplet on a Wettability Gradient Surface, Proceedings of Seventh International Conference on Micro Total Analysis Systems, 米国, The Transducers Research Foundation, October 5-9, 2003, pp. 1129-1132.

しかし、基板上に親水性材料および疎水性材料がパターニングされた流路に液滴を滴下すると、この液滴に含まれる生体液中のタンパク質などの生体分子は疎水性の官能基を有するため、疎水性面上では疎水性相互作用により吸着を起こす。したがって、上記親水性材料と疎水性材料とがパターニングされた微量液滴輸送デバイスでは生体液滴を輸送することは困難であった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、基板上面に疎水性の強い疎水面を形成することにより生体液滴と基板面との接触面積を小さくし、２種類の疎水面を組み合わせて疎水領域での表面張力勾配を構築し、これにより生体液滴の輸送を可能とする微量液滴輸送デバイスを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、基板上面に液滴が流れる流路を備えた微量液滴輸送デバイスであって、上記流路を、液滴が流れる際の上流側を第１の疎水面で、その下流側を上記第１の疎水面より接触角が小さい第２の疎水面で、これらの中間部分を第１の疎水面と第２の疎水面とを混在させて構成し、上流から下流に向け上記第２の疎水面の面積を連続的に増加させた微量液滴輸送デバイスである。

基板の素材は限定されない。例えば、シリコン基板、ガラス基板、シリコーン樹脂などを使用する。
基板上面に液滴が流れる流路は、第１の疎水面と第２の疎水面とを備えている。この第１の疎水面および第２の疎水面を形成する方法及びその素材は限定されない。例えば、シリコン基板を陽極酸化して凹凸面を有する第２の疎水面を形成した後に、部分的にフッ素樹脂をパターニングして第１の疎水面を形成する方法が挙げられる。
疎水面の接触角は限定されず、通常、液面と基板面とのなす角度が９０度以上の基板面と定義される疎水面上で、液滴輸送が可能である。しかし、本発明では、液滴中の生体分子を吸着させることなく、さらに効果的な液滴輸送を実現するために、接触角が１４０〜１８０度の強い疎水面を形成する。
この強い疎水面は、例えば基板面に微小な凹凸を形成することにより実現され、例えば、シリコンの基板を使用することにより、ナノメートル・オーダーまたはミクロン・オーダーの凹凸をその表面に形成することができる。一般に、ｐ型シリコンを陽極酸化するとナノメートル・オーダーの凹凸が形成され、ｎ型シリコンを陽極酸化するとミクロン・オーダーの凹凸が形成される。
その他、１４０〜１８０度の強い疎水面を形成する方法には、金属（ニッケル）表面にフッ素化した微粒子を分散めっき法で付着させる方法、電気めっき法で極小のＰＴＦＥ（四フッ化エチレン樹脂）粒子をメッキ皮膜とともに付着させる方法、アルミニウムを陽極酸化し微細な凹凸を形成した後、シランカップリング剤で被覆する方法、ゾル・ゲル法によりアルミナゲル膜をガラス基板上にコーティングし、それを沸騰水中に数十分浸漬することによって、数十ナノメートルオーダーの微細な凹凸をもつアルミナ（花弁状アルミナ）膜を形成し、さらにその上に極めて撥水性の高いフルオロアルキル鎖をもつトリアルコキシシランの加水分解物をコーティングする方法、アルキルケテンダイマー（ＡＫＤ）を融液から冷却固化する方法、シリコーン樹脂で製作した構造物（２μｍ×２μｍ、高さ１μｍ）を４μｍ間隔で並べたものの上に、金を蒸着し、疎水基を有する自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）をコーティングする方法などが存在する。

請求項１に記載の微量液滴輸送デバイスにあっては、基板上面には、液滴が流れる流路が配設されている。この流路は、上流側を第１の疎水面で、下流側を第１の疎水面より接触角が小さい第２の疎水面で構成し、上流と下流の中間部分は第１の疎水面と第２の疎水面とを混在させる。そして、上流側から下流側に向かって、第２の疎水面の面積が連続的に増加するように流路を構成する。これにより、基板上面の流路の上流側に液滴を滴下すると、上流側から下流側に向かって液滴が流れる。第１の疎水面上および第２の疎水面上での液滴の接触角は１４０〜１８０度になる。この結果、流路に液滴の成分などが吸着することなく確実に一方向に液滴を輸送することができる。
したがって、医療診断チップや環境分析チップなどの微量な液滴を検体として用いるデバイスチップに応用すれば、検体となる血液や尿、環境因子を含む液滴などを分析箇所に簡便かつ確実に輸送することが可能となる。そして、これを応用した医療診断チップや環境分析チップなどは使い捨て可能なほど安価になる可能性があり、医療診断や環境分析などの分野の発展に対して多大な貢献を期待することができる。

請求項２に記載の発明は、上記第１の疎水面の接触角および第２の疎水面の接触角は１４０度〜１８０度であり、上記第１の疎水面の接触角と第２の疎水面の接触角との差は５度以上である請求項１に記載の微量液滴輸送デバイスである。

請求項２に記載の微量液滴輸送デバイスにあっては、２種類（第１の疎水面および第２の疎水面）の疎水面の表面張力の差が大きいほど、液滴輸送の駆動力が大きくなるが、差を大きくするためには表面張力が大きい方の第２の疎水面の疎水性を充分に弱くする必要がある。しかし、疎水性を弱くすると、生体液滴中の生体分子が流路に吸着する可能性がある。逆に表面張力の差を小さくする（５度未満）と、液滴輸送に必要な駆動力を得ることができなくなる恐れがある。具体的な表面張力の差を純水液滴の接触角で表現すると、１０度程度の差が最適である。実際には１７０度以上の接触角を実現するのは困難であることを考慮すると、２種類の疎水面の接触角は例えば１５０度と１６０度が好ましい。

請求項３に記載の発明は、上記第１の疎水面または第２の疎水面は、表面に凹凸を有するシリコンで形成された請求項１または請求項２に記載の微量液滴輸送デバイスである。
流路となる第１の疎水面または第２の疎水面を表面に凹凸を有するシリコンで形成する。シリコン表面の凹凸は、例えば、陽極酸化やリアクティブ・イオンエッチングにより形成される。凹凸のへこみの深さおよび出っ張りの高さは限定されない。

請求項３に記載の微量液滴輸送デバイスにあっては、第１の疎水面または第２の疎水面は、表面に凹凸を有するシリコンで形成する。凹凸面を有することにより、平面と比べて接触角が大きくなる。凹凸面は、シリコン基板を陽極酸化して形成される。具体的には、片面研磨されたｎ型シリコン基板の研磨面をフッ酸溶液に接触し、そして光を照射しながら電圧を印加する。

請求項４に記載の発明は、上記第１の疎水面または第２の疎水面は、フッ素樹脂で形成された請求項１または請求項２に記載の微量液滴輸送デバイスである。
フッ素樹脂の素材は限定されない。例えば、旭硝子（株）製Ｃｙｔｏｐを使用することができる。また、フッ素樹脂の成膜方法は限定されない。例えば、スピンコーティングやディッピングにより成膜できる。さらに、フッ素樹脂の膜厚は薄いほうが、基板表面の凹凸の大きさに影響を与えないので好ましい。例えば、５０ｎｍである。

請求項４に記載の微量液滴輸送デバイスにあっては、第１の疎水面または第２の疎水面は、疎水性を有するフッ素樹脂で形成される。シリコン基板を陽極酸化することにより流路全体を凹凸面を有する疎水面とした後に、第１の疎水面のみにフッ素樹脂を形成することによって、容易に第１の疎水面と第２の疎水面の間に表面張力の差を作り出すことができる。

本発明の疎水面を利用した微量液滴輸送デバイスによれば、タンパク質などを含む生体液の微量液滴を基板面に吸着させることなく、確実に一方向に輸送することが可能となる。また、本発明の微量液滴輸送デバイスは、輸送のためのエネルギー源を必要とせず、簡便で安価な構造となる。したがって、本発明の微量液滴輸送デバイスを、医療診断チップや環境分析チップなどの微量な液滴を検体として用いるデバイスチップに応用すれば、検体となる血液や尿、環境因子を含む液滴などを分析箇所に簡便かつ確実に輸送することが可能となる。そして、これを応用した医療診断チップや環境分析チップなどは使い捨て可能なほど安価になる可能性があり、医療診断や環境分析などの分野の発展に対して多大な貢献を期待することができる。

以下、この発明の実施例を、図１〜図３を参照して説明する。
図１に示すように、本実施例に関わる微量液滴輸送デバイス１０は、基板１１として直径５ｃｍ、厚さ３００μｍのシリコン基板１１（シリコンウェーハ）が使用される。このシリコン基板１１の上面に、液滴１３が流れる流路が設けられている。
流路は、上流側を第１の疎水面１２ａで、下流側を第２の疎水面１２ｂで構成されている。また、上流側と下流側との中間部は、第１の疎水面１２ａと第２の疎水面１２ｂとが混在して構成されている。すなわち、図１に示すように、第１の疎水面１２ａと第２の疎水面１２ｂとが複数のくさび形状が並んだ形状とし、これらを噛み合わせるように基板表面に構成されている。第１の疎水面１２ａおよび第２の疎水面１２ｂのくさび形状の寸法は、底辺が１０μｍから１ｍｍ、長さが１０μｍから３０ｍｍであり、典型的な寸法はそれぞれ２００μｍと１５ｍｍである。底辺に対して長さの寸法が小さいほうが、表面張力の勾配が大きくなり、より確実に液滴１３を輸送することが可能となり、輸送速度も大きくなる。また、くさび形状の長さを長くしたほうが、輸送距離が長くなる。
第２の疎水面１２ｂは、第１の疎水面１２ａより接触角が小さく形成されている。第２の疎水面１２ｂは凹凸面を有するシリコン基板１１で形成され、第１の疎水面１２ａは凹凸面を有するシリコン基板１１の上にフッ素樹脂薄膜１４をパターニングすることにより形成される。シリコン基板１１の凹凸面は、その片面を陽極酸化することにより形成される。この凹凸面の凸部の形状は極めて先端の尖った突起状であり、その高さは略１μｍ、凸部と凸部の間隔は２μｍ程度である。
シリコン基板１１の凹凸により基板表面は、接触角が１４０度以上の強い疎水性となるが、この面上にフッ素樹脂薄膜１４を形成することにより、疎水性がより強くなる。フッ素樹脂薄膜１４の膜厚は５０ｎｍである。

上記陽極酸化は以下のようにして行われる。まず、片面研磨されたｎ型シリコン基板１１の研磨面にフッ酸溶液（４６％フッ化水素：エタノール＝１：２）を接触させる。そして、このシリコン基板１１を陽極に、フッ酸溶液を陰極に接続するとともに、光を照射してキャリアを発生させながら電圧を印加する。すると、シリコンが不均一に溶解し、シリコンの基板表面に凹凸が形成される。凹凸を有するシリコンの表面上に純水液滴１３を置いた場合の接触角は、陽極酸化時間とその際の電流密度によって制御することができる。例えば、電流密度を１５ｍＡ／ｃｍ^２と一定にして陽極酸化した場合、５分間の陽極酸化では略１２０度の接触角が得られるのに対し、１０分間の陽極酸化では略１４５度となる。また、１１分間の陽極酸化で接触角が略１５５度と最大になった後には、陽極酸化時間とともに接触角は低下する。これは、長時間に渡って陽極酸化すると、基板表面に形成された先端の尖った突起が溶解してしまうためと思われる。また、陽極酸化時間を１０分間に固定して、電流密度を様々な値に変更して陽極酸化すると、１０ｍＡ／ｃｍ^２で略１３２度の接触角が得られ、３０ｍＡ／ｃｍ^２で略１５５度の接触角が得られ、４０ｍＡ／ｃｍ^２程度までは電流密度の増加とともに接触角は徐々に大きくなる。以上のように、陽極酸化時間と電流密度を調節することにより、所望の接触角を実現する凹凸を有するシリコンの表面を形成することが可能である。

次に、この微量液滴輸送デバイス１０を用いた微量液滴１３の輸送方法を説明する。
まず、０．１〜１００μＬの血漿の液滴１３を、シリコン基板１１上の流路に滴下する。具体的には、図１に示すように、上流側で第１の疎水面１２ａと第２の疎水面１２ｂをまたぐように滴下する。この際、液滴１３の接触角は、第１の疎水面と第２の疎水面の面積割合で決まる表面エネルギーで決まる。このときの液滴１３の接触角は略１４５度程度であるが、液滴１３の前端と後端の接触角にわずかな違いが生じているため駆動力が発生し、液滴１３は、第１の疎水面より疎水性の弱い第２の疎水面１２ｂで形成された下流側の方向に進む。すなわち、液滴１３は、第１の疎水面１２ａから接触角の小さい第２の疎水面１２ｂの方向に引き寄せられる。
純水液滴１３を置いた場合の接触角の典型的な値は、フッ素樹脂薄膜１４が成膜された強い第１の疎水面１２ａ上で１５５度、シリコン面が露出した弱い第２の疎水面１２ｂ上で１４５度である。これらの２種類の疎水面が組み合わされた面上に微量液滴１３を置くと、微量液滴１３の前端と後端に接触角の差が生じ、これが駆動力となって微量液滴１３を、強い第１の疎水面１２ａから弱い第２の疎水面１２ｂに向かって輸送することができる。

一般に、表面に凹凸を形成して表面積を大きくすると、疎水性面はより疎水性に、親水性面はより親水性に変化する。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、ｒ＝凹凸面の面積÷平面とみなしたみかけの面積、θ＝平面の場合の接触角、θ_Ｗ＝凹凸面の場合の接触角とすると、ｃｏｓθ_Ｗ＝ｒ×ｃｏｓθという関係がある。ここで、θ_Ｗはウエンゼルの接触角（凹凸面の高さ中心と液面とのなす角）と呼ばれる。例えば、平面上でθ＝１３０度の接触角をもつ疎水性の基板素材を使って、ｒ＝１．５の凹凸面を形成すれば、図３（ｂ）に示すように、θ_Ｗ≒１６５度の疎水面を実現することができる。さらに、この凹凸の間に疎水性材料である空気が残留し、これが液滴１３を支えることになるため、接触角が１８０度に近い疎水面を実現することができる。自然界に存在する蓮の葉やサトイモの葉の表面はこのような凹凸面を有しており、この表面上の水滴は球形になる。
２種類の疎水面の表面張力の差が大きいほど、液滴輸送の駆動力が大きくなるが、差を大きくするためには表面張力が大きい第２の疎水面の疎水性を充分に弱くする必要があるため、生体液滴１３中の生体分子が吸着を起こす可能性がある。逆に表面張力の差を小さくすると、液滴輸送に必要な駆動力を得ることができなくなる恐れがある。具体的な表面張力の差を純水液滴１３の接触角で表現すると、１０度程度の差が最適と思われる。実際には１７０度以上の接触角を実現するのは困難であることを考慮すると、２種類の疎水面の接触角は例えば１５０度と１６０度が好ましい。

本発明の一実施例に係る微量液滴輸送デバイスの構造を示した平面図である。 本発明の一実施例に係る微量液滴輸送デバイスの構造を示した断面図である。 ウエンゼルの接触角の定義を説明する正面図である。（ａ）は平面基板上の液滴の状態を示す正面図である。（ｂ）は凹凸面を有する基板上の液滴の状態を示す正面図である。

符号の説明

１０ 微量液滴輸送デバイス、
１１ 凹凸面を有するシリコン基板、
１２ａ 第１の疎水面、
１２ｂ 第２の疎水面、
１３ 微量液滴、
１４ フッ素樹脂薄膜。

Claims (4)

1. 基板上面に液滴が流れる流路を備えた微量液滴輸送デバイスであって、
   上記流路を、
   液滴が流れる際の上流側を第１の疎水面で、
   その下流側を上記第１の疎水面より接触角が小さい第２の疎水面で、
   これらの中間部分を第１の疎水面と第２の疎水面とを混在させて構成し、
   上流から下流に向け上記第２の疎水面の面積を連続的に増加させた微量液滴輸送デバイス。
2. 上記第１の疎水面の接触角および第２の疎水面の接触角は１４０度〜１８０度であり、上記第１の疎水面の接触角と第２の疎水面の接触角との差は５度以上である請求項１に記載の微量液滴輸送デバイス。
3. 上記第１の疎水面または第２の疎水面は、表面に凹凸を有するシリコンで形成された請求項１または請求項２に記載の微量液滴輸送デバイス。
4. 上記第１の疎水面または第２の疎水面は、フッ素樹脂で形成された請求項１または請求項２に記載の微量液滴輸送デバイス。

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