JP2006021067A - Droplet transporting apparatus - Google Patents

Droplet transporting apparatus Download PDF

Info

Publication number
JP2006021067A
JP2006021067A JP2004198763A JP2004198763A JP2006021067A JP 2006021067 A JP2006021067 A JP 2006021067A JP 2004198763 A JP2004198763 A JP 2004198763A JP 2004198763 A JP2004198763 A JP 2004198763A JP 2006021067 A JP2006021067 A JP 2006021067A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
droplet
substrate
water
transport device
droplets
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2004198763A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4369315B2 (en
Inventor
Makoto Sato
佐藤  誠
Fusao Shimokawa
房男 下川
Hiroshi Koshimizu
博 輿水
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NTT Advanced Technology Corp
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
NTT Advanced Technology Corp
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NTT Advanced Technology Corp, Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical NTT Advanced Technology Corp
Priority to JP2004198763A priority Critical patent/JP4369315B2/en
Publication of JP2006021067A publication Critical patent/JP2006021067A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4369315B2 publication Critical patent/JP4369315B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a droplet transporting apparatus that is capable of reducing the transporting energy of droplets, enhancing the transporting rate and of reducing the damage to the droplets. <P>SOLUTION: An oil membrane 5 is formed on the surface of a substrate 1 having the water repellent treatment applied thereon. For the droplet 6 which becomes easily movable on the substrate 1, the substrate 1 is partially heated by electrically conducting to a heater 2 at the proximity of the droplet 6 and the droplet 6 is transferred in the direction of the lower temperature by means of the stream 7 of the oil membrane 5 by transferring the oil membrane 5 at the heated place to the periphery of the lower temperature. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、液滴輸送装置に関し、例えば、化学分析や生体検査などにおいて微量の試薬で反応を確認するための微量液の輸送装置として用いることができる。   The present invention relates to a droplet transport device, and can be used, for example, as a transport device for a small amount of liquid for confirming a reaction with a small amount of a reagent in chemical analysis or biological examination.

従来の試験管レベルでの化学分析や合成は、試料や試薬をミリ・リットルのオーダーで必要とし、試料の採取が困難な場合や試薬が高価な場合などには、その実施が困難な場合があった。また、生体検査では、試料の採取は被検査者に負担を強いることにもなり、微量な試料量と試薬量で分析できることが望まれる。   Conventional chemical analysis and synthesis at the test tube level requires samples and reagents on the order of milliliters, and may be difficult to perform when sampling is difficult or when reagents are expensive. there were. In biopsy, sample collection imposes a burden on the subject, and it is desired that analysis can be performed with a small amount of sample and reagent.

このような観点から、近年、ラボ・オン・チップあるいはマイクロ・トータル・アナリシス・システムと呼ばれる、小さなチップ内で微量な化学反応を制御し、化学分析や化学合成を効率的に行うシステムが提唱されている。   From this point of view, a system called “lab-on-chip” or “micro-total analysis system” that controls chemical reactions in a small chip and efficiently performs chemical analysis and chemical synthesis has recently been proposed. ing.

このシステムを実現するためには、微量な液量を自由に輸送する技術が不可欠である。この輸送技術として、例えば、半導体プロセスを利用して、微少な管路を形成し、微量な液体を輸送したり、反応させたりすることが試みられている。   In order to realize this system, a technology for freely transporting a small amount of liquid is indispensable. As this transport technology, for example, attempts have been made to form a very small pipe using a semiconductor process to transport or react a small amount of liquid.

これに対して、管路を形成することなく、独立した液滴を輸送する方法は、個別の液滴に異なる種類の試薬や試料を溶解・混入したり、濃度を系統的に変えて、所望の組み合わせで液滴を合体させたりすることにより、反応を実施し、その結果の計測を自動化するのに適した微量液の輸送方法である。   On the other hand, the method of transporting independent droplets without forming a pipe line is desired by dissolving / mixing different types of reagents and samples in individual droplets or systematically changing the concentration. This is a method for transporting a trace amount of liquid that is suitable for carrying out a reaction by combining droplets in a combination and automating the measurement of the result.

液滴は、それ自体が一つの独立した容器であると共に、他の液滴と容易に合体・混合させることができる反応容器ともなる。また、反応結果を測定するための試料セルでもあり、例えば分光測定を行う箇所に液滴を順次輸送することで、測定を自動化することができる。   The droplet itself is an independent container and also a reaction container that can be easily combined and mixed with other droplets. It is also a sample cell for measuring the reaction result. For example, the measurement can be automated by sequentially transporting the droplets to the place where the spectroscopic measurement is performed.

Orlin D.Velev,Brian G.Prevo,Katan H.Bhatt,“On-chip manipulation of free droplets”,Nature,vol.426,2003,p.515-516Orlin D. Velev, Brian G. Prevo, Katan H. Bhatt, “On-chip manipulation of free droplets”, Nature, vol. 426, 2003, p. 515-516 Sung Kwon Cho,Hyejin Moon and Chang-Jin Kim,“Creating,Transporting,Cutting,and Merging Liquid Droplets by Electorowetting-Based Actuation for Digital Microfluidic Circuits”,J.Microelectromech.Syst.,vol.12,2003,p.70-80Sung Kwon Cho, Hyejin Moon and Chang-Jin Kim, “Creating, Transporting, Cutting, and Merging Liquid Droplets by Electorowetting-Based Actuation for Digital Microfluidic Circuits”, J. Microelectromech. Syst., Vol. 12, 2003, p. 70 -80 Pei Yu Chiou,Hyejin Moon,Hiroshi Toshiyoshi,Chang-Jin Kim,Ming C.Wu,“Light actuation of liquid by optoelectrowetting”,Sensors and Actuators A,vol.104,2003,p.222-228Pei Yu Chiou, Hyejin Moon, Hiroshi Toshiyoshi, Chang-Jin Kim, Ming C. Wu, “Light actuation of liquid by optoelectrowetting”, Sensors and Actuators A, vol.104, 2003, p.222-228 Anton A.Darhuber,Joseph P.Valentino,Sandra M.Troian and Sigurd Wagner,“Thermocapillary Action of Droplets on Chemically Patterned Surfaces by Programmable Microheater Arrays ”,J.Microelectromech.syst.,vol.12,2003,p.873-879Anton A. Darhuber, Joseph P. Valentino, Sandra M. Troian and Sigurd Wagner, “Thermocapillary Action of Droplets on Chemically Patterned Surfaces by Programmable Microheater Arrays”, J. Microelectromech.syst., Vol.12, 2003, p.873- 879

今までに提案された液滴輸送としては、油の中に浮遊させた水滴を輸送する形式と、水滴のみを輸送する形式とがある。水滴のみを輸送する形式は、空気中の水滴として考えることができる。さらに、液滴の駆動力として電界を利用する形式と、表面張力を電界や温度で変化させて駆動力とする形式とに分類できる。   There have been two types of droplet transports that have been proposed so far: transporting water droplets suspended in oil and transporting only water droplets. The form of transporting only water droplets can be considered as water droplets in the air. Further, it can be classified into a format that uses an electric field as the driving force of the droplet and a format that changes the surface tension according to the electric field or temperature to obtain a driving force.

なお、流路を満たした油をポンプにより輸送し、その流れにのせて水滴を輸送する方法もあるが、水滴の合体などの操作を行うためには、別途、水滴に直接力を加える方法を用意する必要があるので、ここでは除外する。   In addition, there is a method of transporting water droplets by pumping the oil filling the flow path and placing it on the flow, but in order to perform operations such as coalescence of water droplets, a method of applying force directly to the water droplets is separately provided. Since it is necessary to prepare, it is excluded here.

電界を加えて水滴を輸送する方法は、電界の強い箇所に誘電率の高い物質が存在している方が系のエネルギーが低く安定となるという原理を利用しており、当該系の安定化に基づいて発生する力を駆動力として水滴を輸送する(上記、非特許文献1を参照。)。油中の水滴の場合、水と油の誘電率の差が原因で電界から力を受ける。水と油の比重は比較的近いため、水滴は油の中に球形の液滴となって存在し、電界の作用により油の中を移動させることができる。   The method of transporting water droplets by applying an electric field uses the principle that the presence of a substance with a high dielectric constant in a location where the electric field is strong makes the energy of the system low and stable. Water droplets are transported using the generated force as a driving force (see Non-Patent Document 1 above). In the case of water droplets in oil, it receives force from the electric field due to the difference in dielectric constant between water and oil. Since the specific gravity of water and oil is relatively close, the water droplets exist as spherical droplets in the oil and can be moved in the oil by the action of an electric field.

水滴が油の中に浮遊せず、基板に直接接触する場合には、基板表面に撥水処理を施して、水滴が基板表面を転がりやすい状態にする必要がある。また、水より比重の大きい無極性の油や液体を基板表面に張り、水滴を浮遊させるようにしてもよい。   In the case where the water droplet does not float in the oil and directly contacts the substrate, it is necessary to perform water repellent treatment on the substrate surface so that the water droplet easily rolls on the substrate surface. Alternatively, non-polar oil or liquid having a specific gravity greater than that of water may be applied to the surface of the substrate so that the water droplets are floated.

このように水滴を移動させやすい状態にして、水滴と周囲の誘電率の違いから電界の強い箇所へ水滴を移動させる。これは分極性の微粒子を電界で駆動する誘電泳動と同じ原理であり、電界強度の空間的な勾配が必要となる。   In this way, the water droplet is made to be easily moved, and the water droplet is moved to a location where the electric field is strong due to the difference between the water droplet and the surrounding dielectric constant. This is the same principle as dielectrophoresis in which polarizable fine particles are driven by an electric field, and a spatial gradient of the electric field strength is required.

また、直流電界でも交流電界でも同じ方向に駆動力が発生する。一般に誘電率は交流電界の周波数に依存して変化するので、正確には、ある特定の周波数の交流電界のときに最も大きな駆動力が得られることがある。   In addition, a driving force is generated in the same direction in both a DC electric field and an AC electric field. In general, since the dielectric constant changes depending on the frequency of the AC electric field, the maximum driving force may be obtained when the AC electric field has a specific frequency.

なお、電気泳動は帯電した微粒子に生じる泳動現象であり、均一な電場でも発生する。電気泳動の対象となるコロイド粒子は、全体的には中性に見えるが、粒子自体が帯電していると共に周囲に逆極性のイオンをまとっているため、電界の存在により、周囲のイオンと逆向きの力を受けて電気泳動を生じる。電気泳動は直流電場でのみ効果が得られ、かつ電界の向きに依存する。   Electrophoresis is an electrophoretic phenomenon that occurs in charged fine particles and occurs even in a uniform electric field. Although the colloidal particles to be electrophoresed appear to be neutral as a whole, the particles themselves are charged and have opposite polarity ions around them. Electrophoresis occurs under the direction force. Electrophoresis is effective only in a DC electric field and depends on the direction of the electric field.

上述する、電界により液滴を駆動する方法の問題点としては、必要とする印加電圧が数百ボルトと高いことが挙げられる。また、駆動を容易にするため、この高電圧を数百KHzの高周波として印加する場合もあり、大がかりな電源装置が必要となることも問題点として挙げられる。   A problem of the above-described method of driving a droplet by an electric field is that a required applied voltage is as high as several hundred volts. In addition, in order to facilitate driving, this high voltage may be applied as a high frequency of several hundred KHz, and a large-scale power supply device is required.

一方、表面張力を電界で変化させて駆動力を得る方法は、電界の印加により液体と固体との接触面に電荷を蓄積させることで、実効的な界面エネルギーを低下させるという原理を利用している(上記、非特許文献2,3を参照。)。したがって、水滴は基板に対して部分的に濡れている(水滴の基板に対する接触角が0度より高く180度より低い。)必要がある。また、水滴に伝導性があること、水滴と基板との接触面が平行平板キャパシタを構成することが要求される。   On the other hand, the method for obtaining the driving force by changing the surface tension with an electric field is based on the principle that the effective interfacial energy is reduced by accumulating charges on the contact surface between the liquid and the solid by applying the electric field. (See Non-Patent Documents 2 and 3 above.) Therefore, the water droplet needs to be partially wetted with respect to the substrate (the contact angle of the water droplet with respect to the substrate is higher than 0 degree and lower than 180 degree). Further, it is required that the water droplets have conductivity and that the contact surface between the water droplets and the substrate constitutes a parallel plate capacitor.

水滴の一部に電界が印加されると、電界の印加された部分の液−固界面の表面張力が低下し、水滴の接触角が低下する。そのため水滴は電界を印加した側へ移動する。この方法は電界で直接駆動する方法に比べ低い電圧で駆動が可能であるが、それでも数十ボルトの電圧が必要である。   When an electric field is applied to a part of the water droplet, the surface tension of the liquid-solid interface in the portion to which the electric field is applied decreases, and the contact angle of the water droplet decreases. Therefore, the water droplet moves to the side where the electric field is applied. This method can be driven at a lower voltage than the method of directly driving with an electric field, but still requires a voltage of several tens of volts.

低電圧で駆動する方法として、液滴に温度勾配を与えることが提案されている(上記、非特許文献4を参照。)。ヒータなどの加熱手段で温度勾配を与える方法では、ヒータヘの印加電圧はヒータ抵抗の設計で数ボルトにまで下げることができる。この方法は、液滴の気−液界面の表面張力が加熱により低下することを利用しているため、液滴そのものを加熱する必要がある。   As a method of driving at a low voltage, it has been proposed to give a temperature gradient to a droplet (see Non-Patent Document 4 above). In the method of applying a temperature gradient by a heating means such as a heater, the voltage applied to the heater can be lowered to several volts by designing the heater resistance. Since this method utilizes the fact that the surface tension of the gas-liquid interface of the droplet is lowered by heating, it is necessary to heat the droplet itself.

また、加熱により表面張力が低下した側の液体の接触角が0度となり、完全に基板に濡れる状態になって初めて、駆動力が発生する機構であるため、その駆動力は弱く、ヒータでの消費電力が大きい割には液滴の移動速度は極めて遅いという問題点がある。非特許文献4によれば、240mWのヒータ出力における液滴の移動速度は0.27mm/sと遅い。更に、この方法では、液滴を加熱しているため、液滴に溶解させた薬剤や検査試料が熱的なダメージを受けやすい場合には適用できないといった問題がある。   In addition, since the driving force is generated only when the contact angle of the liquid whose surface tension is reduced by heating becomes 0 degrees and the substrate is completely wetted, the driving force is weak, Although the power consumption is large, there is a problem that the moving speed of the droplet is extremely slow. According to Non-Patent Document 4, the droplet moving speed at a heater output of 240 mW is as slow as 0.27 mm / s. Furthermore, since this method heats the droplet, there is a problem in that it cannot be applied when the drug or test sample dissolved in the droplet is susceptible to thermal damage.

本発明は上記状況に鑑みてなされたものであり、液滴輸送時のエネルギーを低減(低電圧、低消費電力)し、輸送速度を高めると共に、液滴及び液滴中の薬剤等にダメージを与えないで輸送することができる液滴輸送装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above situation, and reduces the energy (low voltage, low power consumption) at the time of droplet transportation, increases the transportation speed, and damages the droplet and the medicine in the droplet. An object of the present invention is to provide a droplet transport device that can be transported without being given.

上記課題を解決する本発明に係る液滴輸送装置は、
基板の表面において水性の液滴を輸送する液滴輸送装置において、
前記基板の表面は撥水処理されると共に、当該表面に油性の膜が形成され、
前記基板の表面に局所的な温度勾配を発生させる加熱手段が設けられていることを特徴とする液滴輸送装置である。
The droplet transport device according to the present invention for solving the above problems is as follows.
In a droplet transport device that transports aqueous droplets on the surface of a substrate,
The surface of the substrate is water-repellent and an oily film is formed on the surface.
The droplet transporting apparatus is characterized in that a heating means for generating a local temperature gradient is provided on the surface of the substrate.

上記課題を解決する本発明に係る液滴輸送装置は、
基板の表面において油性の液滴を輸送する液滴輸送装置において、
前記基板の表面は撥油処理されると共に、当該表面に水性の膜が形成され、
前記基板の表面に局所的な温度勾配を発生させる加熱手段が設けられていることを特徴とする液滴輸送装置である。
The droplet transport device according to the present invention for solving the above problems is as follows.
In a droplet transport device that transports oily droplets on the surface of a substrate,
The surface of the substrate is treated with oil repellency, and an aqueous film is formed on the surface.
The droplet transporting apparatus is characterized in that a heating means for generating a local temperature gradient is provided on the surface of the substrate.

上記発明は、輸送対象である液滴をはじくような表面処理を基板表面に施すと共に、当該基板表面に液滴と逆の性質(例えば油と水)を有する液膜を形成して、当該基板表面に置いた液滴を、液滴周囲の液膜−空気界面の表面張力の温度変化により発生する力(熱毛管現象)を用いて輸送することを特徴とする。   In the above invention, the substrate surface is subjected to a surface treatment that repels the droplets to be transported, and a liquid film having properties opposite to those of the droplets (for example, oil and water) is formed on the substrate surface. A droplet placed on the surface is transported by using a force (thermocapillary phenomenon) generated by a temperature change in the surface tension of a liquid film-air interface around the droplet.

また、上記液滴輸送装置において、
前記基板に対向して設けられる他の基板を有し、当該他の基板の表面は前記基板の表面と同種の処理が施されると共に、同種の膜が形成されており、
前記液滴は、前記基板と前記他の基板とに挟まれた空間を移動することを特徴とする液滴輸送装置である。
Moreover, in the droplet transport device,
There is another substrate provided opposite to the substrate, the surface of the other substrate is subjected to the same kind of treatment as the surface of the substrate, and the same kind of film is formed,
The liquid droplet transporting apparatus is characterized in that the liquid droplet moves in a space sandwiched between the substrate and the other substrate.

また、上記液滴輸送装置において、
前記膜の前記基板表面に対する接触角はほぼ0度であり、
前記液滴は、前記膜中における前記基板表面との接触角が90度より大きいことを特徴とする液滴輸送装置である。
Moreover, in the droplet transport device,
The contact angle of the film to the substrate surface is approximately 0 degrees;
The droplet is a droplet transport device characterized in that a contact angle with the substrate surface in the film is larger than 90 degrees.

基板の表面の性質と、液膜の性質と、液滴の性質について、基板表面は液膜により濡れやすく、また基板表面及び液膜は、液滴をはじきやすい性質とすることで、液滴の移動を容易にする。   Regarding the properties of the surface of the substrate, the properties of the liquid film, and the properties of the droplets, the substrate surface is easily wetted by the liquid film, and the substrate surface and the liquid film are easy to repel the droplets. Make it easy to move.

また、上記液滴輸送装置において、
前記基板の表面または前記他の基板の表面の少なくとも一方には、前記液滴の輸送方向に沿ってガイド溝が形成されていることを特徴とする液滴輸送装置である。
Moreover, in the droplet transport device,
In at least one of the surface of the substrate and the surface of the other substrate, a guide groove is formed along the transport direction of the droplet.

また、上記液滴輸送装置において、
前記ガイド溝は、前記液滴の半径にほぼ等しい幅を有する溝であることを特徴とする液滴輸送装置である。
Moreover, in the droplet transport device,
The guide groove is a droplet transporting device having a width substantially equal to the radius of the droplet.

また、上記液滴輸送装置において、
前記ガイド溝は、前記液滴の輸送方向に沿って間欠的に形成されていることを特徴とする液滴輸送装置である。
Moreover, in the droplet transport device,
The guide groove is a droplet transport device characterized by being intermittently formed along the transport direction of the droplet.

また、上記液滴輸送装置において、
前記基板の表面または前記他の基板の表面の少なくとも一方には、前記膜の厚さを調整する溝が形成されていることを特徴とする液滴輸送装置である。
Moreover, in the droplet transport device,
In at least one of the surface of the substrate or the surface of the other substrate, a groove for adjusting the thickness of the film is formed.

本発明の液滴輸送装置を用いれば、低電圧、低消費電力で高速に水滴(又は油滴)を基板表面上で輸送することができる。また、輸送時の加熱の影響については、周囲の油膜(又は水膜)を加熱して駆動する方式なので、水滴(又は油滴)に熱が加わるとしても油膜(又は水膜)を介して間接的に行われ、また、水滴(又は油滴)は加熱された温度の高い場所を避けるように移動するので熱の影響を受ける程度は低い。そのため、水滴(又は油滴)とそれに溶融・混入させた試料や薬液に対する加熱によるダメージを少なくすることができる。   By using the droplet transport device of the present invention, water droplets (or oil droplets) can be transported on the substrate surface at high speed with low voltage and low power consumption. In addition, as for the effect of heating during transportation, the system is driven by heating the surrounding oil film (or water film), so even if heat is applied to the water droplet (or oil droplet), it is indirectly through the oil film (or water film). In addition, the water droplet (or oil droplet) is moved so as to avoid a place where the temperature is high, so that it is less affected by heat. Therefore, damage to water droplets (or oil droplets) and a sample or chemical liquid melted / mixed therein by heating can be reduced.

<第1の実施形態>
図1及び図2は、第1の実施形態に係る液滴輸送装置における液滴の移動原理を説明する説明図であり、図1は基本原理、図2は連続的に移動させる原理を示している。以下、これらの図に基づいて、液滴を移動させる原理について説明する。
<First Embodiment>
1 and 2 are explanatory diagrams for explaining the principle of movement of a droplet in the droplet transport device according to the first embodiment. FIG. 1 shows the basic principle and FIG. 2 shows the principle of continuous movement. Yes. Hereinafter, the principle of moving a droplet will be described based on these drawings.

図1に示すように、下部基板1の内部には基板表面において局所的な温度勾配を発生させるためのヒータ2が設けられ、電源4及びスイッチ3により作動するようになっている。また、下部基板1の表面は撥水処理が施されると共に、油膜5が形成されている。   As shown in FIG. 1, a heater 2 for generating a local temperature gradient on the substrate surface is provided inside the lower substrate 1 and is operated by a power source 4 and a switch 3. Further, the surface of the lower substrate 1 is subjected to water repellent treatment and an oil film 5 is formed.

この状態において、基板1の表面に水滴6を置くと、油膜の表面張力により、水滴6は基板1の表面に押し付けられる下向きの力Fを受ける。さらに、水滴6の基板1に対する油中での接触角θは90度より大きいので、水滴6は基板1の上を容易に移動することができる。   In this state, when the water droplet 6 is placed on the surface of the substrate 1, the water droplet 6 receives a downward force F pressed against the surface of the substrate 1 due to the surface tension of the oil film. Furthermore, since the contact angle θ of the water droplet 6 with respect to the substrate 1 in oil is larger than 90 degrees, the water droplet 6 can easily move on the substrate 1.

ヒータ2に通電して基板1を部分的に加熱すると、加熱された箇所の油膜5は、熱毛管現象のため温度の低い周囲に移動(加熱による油膜の移動方向7)する。加熱した箇所が水滴6の近傍である場合には、油膜の流れ7により水滴6も温度の低い方向へ移動する。   When the heater 2 is energized and the substrate 1 is partially heated, the oil film 5 at the heated location moves to a low temperature environment (the moving direction 7 of the oil film by heating) due to the thermocapillary phenomenon. When the heated location is in the vicinity of the water droplet 6, the water droplet 6 also moves in the direction of lower temperature due to the flow 7 of the oil film.

また、図2は連続的に水滴を輸送する原理を示す図である。同図に示すように、下部基板1の内部には、複数のヒータ2a〜2dが直線的に並べて配置されており、スイッチ3aによりヒータ2aに通電して上方の油膜5を加熱することにより、油膜5に流れ7aが生じる結果、水滴6aには方向8に移動する力が働く(同図(a))。この結果、水滴6aは、水滴6bの位置に移動する(同図(b))。   FIG. 2 is a diagram showing the principle of transporting water droplets continuously. As shown in the figure, a plurality of heaters 2a to 2d are arranged linearly inside the lower substrate 1, and by energizing the heater 2a by the switch 3a to heat the upper oil film 5, As a result of the generation of the flow 7a in the oil film 5, a force that moves in the direction 8 acts on the water droplet 6a ((a) in the figure). As a result, the water droplet 6a moves to the position of the water droplet 6b ((b) in the figure).

次に、スイッチ3bによりヒータ2bに通電して上方の油膜5を加熱することにより、油膜5に流れ7bが生じる結果、水滴6bには方向8に移動する力が働く(同図(b))。この結果、水滴6bは、水滴6cの位置に移動する(同図(c))。更に、スイッチ3cによりヒータ2cに通電して上方の油膜5を加熱することにより、油膜5に流れ7cが生じる結果、水滴6cには方向8に移動する力が働く(同図(c))。   Next, by energizing the heater 2b by the switch 3b to heat the upper oil film 5, a flow 7b is generated in the oil film 5, and as a result, a force that moves in the direction 8 acts on the water droplet 6b ((b) in the figure). . As a result, the water droplet 6b moves to the position of the water droplet 6c ((c) in the figure). Further, by energizing the heater 2c by the switch 3c to heat the upper oil film 5, a flow 7c is generated in the oil film 5, and as a result, a force that moves in the direction 8 acts on the water droplet 6c ((c) in the figure).

上述するように、ヒータ2a〜2dを水滴6の動きと連動させて作動し、温度勾配を順次、水滴6の近傍に与え続けることにより、水滴6を所望の方向と距離で移動させることができる。   As described above, the heaters 2a to 2d are operated in conjunction with the movement of the water droplet 6, and the temperature gradient is continuously applied to the vicinity of the water droplet 6 so that the water droplet 6 can be moved in a desired direction and distance. .

図3は、第1の実施形態に係る液滴輸送装置の概略平面図である。同図に示すように、液滴輸送装置10は、下部基板11と、基板11の表面に計画的に形成されたガイド溝19,19a,19bと、これらのガイド溝に沿って、基板11の内部に計画的に配置されたヒータ12,12a〜12gと、基板11の表面において、ガイド溝の近傍に形成された油膜量調整溝20とを有する。   FIG. 3 is a schematic plan view of the droplet transport device according to the first embodiment. As shown in the figure, the droplet transport device 10 includes a lower substrate 11, guide grooves 19, 19 a, 19 b that are intentionally formed on the surface of the substrate 11, and the substrate 11 along the guide grooves. The heaters 12, 12a to 12g are systematically arranged inside, and an oil film amount adjusting groove 20 formed on the surface of the substrate 11 in the vicinity of the guide groove.

輸送対象となる水滴16,16a,16bは、ガイド溝を移動して輸送されるようになっており、その大きさは直径0.5mmから2mm程度である。液量にしてマイクロ・リットルのオーダーである。各ヒータ12,12a〜12gは、これらの水滴の直径と同程度の間隔で配列形成されており、当該各ヒータとその配線は絶縁層で覆われ、その絶縁層にガイド溝が形成されている。   The water droplets 16, 16a, 16b to be transported are transported by moving in the guide groove, and the size thereof is about 0.5 mm to 2 mm in diameter. The liquid volume is on the order of microliters. The heaters 12 and 12a to 12g are arranged at intervals similar to the diameters of these water droplets, the heaters and their wirings are covered with an insulating layer, and guide grooves are formed in the insulating layer. .

下部基板11の表面は撥水処理されており、油を塗ると表面は油に良く濡れ、全面が薄く油膜で覆われる。油膜量調整溝20は、油膜の厚さを調整するための複数の細い溝(水滴の径に比べ充分小さな寸法幅の溝)である。   The surface of the lower substrate 11 is subjected to water repellent treatment. When oil is applied, the surface gets wet well with oil, and the entire surface is thinly covered with an oil film. The oil film amount adjusting groove 20 is a plurality of thin grooves (grooves having a dimension width sufficiently smaller than the diameter of the water droplet) for adjusting the thickness of the oil film.

輸送対象となる水滴をガイド溝の上に置き、水滴近傍のヒータに通電して加熱すると、図1,2を用いて説明したように、加熱箇所から遠ざかるように水滴は移動する。例えば、水滴16aをガイド溝19aの上に置き、水滴16aの近傍のヒータ12aに通電して加熱すると、水滴16aはガイド溝19aに沿ってヒータ12bの方へ移動する。水滴16aの移動と連動して、ヒータ12b〜12dを順次作動させることにより、水滴16aをガイド溝19aに沿って連続的に移動(図3において、左から右へ)させることができる。   When a water droplet to be transported is placed on the guide groove and heated by energizing a heater in the vicinity of the water droplet, the water droplet moves away from the heating location as described with reference to FIGS. For example, when the water droplet 16a is placed on the guide groove 19a and the heater 12a near the water droplet 16a is energized and heated, the water droplet 16a moves toward the heater 12b along the guide groove 19a. By sequentially operating the heaters 12b to 12d in conjunction with the movement of the water droplet 16a, the water droplet 16a can be continuously moved along the guide groove 19a (from left to right in FIG. 3).

また、ガイド溝の交差点に水滴が移動してきたときに、移動してきたガイド溝とは異なるガイド溝状に配置されたヒータに通電すると、水滴は別のガイド溝に乗り換えて輸送される。例えば、ガイド溝19aを移動して、ガイド溝19aとガイド溝19bの交差点に水滴16bが移動してきたときに、ヒータ12eに通電すると、水滴16bはガイド溝19bに乗り換えてヒータ12gの方へ移動する。   Further, when the water droplets move to the intersection of the guide grooves, if the heater arranged in the guide groove shape different from the moved guide grooves is energized, the water droplets are transferred to another guide groove and transported. For example, when the water droplet 16b moves to the intersection of the guide groove 19a and the guide groove 19b by moving the guide groove 19a, when the heater 12e is energized, the water droplet 16b is transferred to the guide groove 19b and moves toward the heater 12g. To do.

図1で説明するように水滴は油膜により基板表面に押し付けられており、基板にガイド溝が形成されていると、水滴は基板表面より低いガイド構の内部に存在する方が安定なため、水滴をガイド溝に落し込んだ形態で、ガイド溝に沿って移動させることができる。   As illustrated in FIG. 1, the water droplet is pressed against the substrate surface by the oil film, and when the guide groove is formed on the substrate, the water droplet is more stable in the guide structure lower than the substrate surface. Can be moved along the guide groove in the form of being dropped into the guide groove.

また、温度勾配により水滴を駆動する力は、加熱している箇所を中心にして周囲に遠ざけるように働くため、水滴は加熱位置と移動させたい目的位置との直線上に位置する必要があり、この直線状からずれていると、移動方向が目的とする方向から簡単にずれてしまう。そのため、ガイド溝を基板に形成し、このガイド溝に沿って移動させれば、確実に目的の方向へ移動させることができる。   In addition, since the force that drives the water droplets due to the temperature gradient works to move away from the center of the heated part, the water droplets need to be located on a straight line between the heating position and the target position to be moved, If it deviates from this linear shape, the moving direction will easily deviate from the intended direction. Therefore, if the guide groove is formed in the substrate and moved along the guide groove, the guide groove can be reliably moved in the target direction.

ガイド溝の幅が水滴の直径よりも広い場合には、水滴の位置をガイド溝の中央に復元させるカが働かないことは明らかである。また、ガイド溝の幅が極端に狭い場合には、ほとんど復元力が働かない。   When the width of the guide groove is wider than the diameter of the water droplet, it is clear that the force for restoring the position of the water droplet to the center of the guide groove does not work. Further, when the width of the guide groove is extremely narrow, the restoring force hardly acts.

この復元力は、ガイド溝の左右のエッジを水滴の円周で切り取った長さの差(ガイド溝の上に水滴が載っている状態において、水滴を横切るガイド溝の2つのエッジ部分の長さの差)に比例する。したがって、ガイド溝の幅が水滴の半径に近いとき最も大きな復元力が働き、ガイド溝の中央に水滴を保持することができる。この結果、温度勾配を与える手段と組み合わせて、水滴を目的の軌道に載せて搬送することができる。   This restoring force is the difference between the lengths of the left and right edges of the guide groove cut by the circumference of the water drop (the length of the two edge portions of the guide groove crossing the water drop when the water drop is on the guide groove) Proportional to the difference). Therefore, the greatest restoring force works when the width of the guide groove is close to the radius of the water droplet, and the water droplet can be held at the center of the guide groove. As a result, in combination with a means for providing a temperature gradient, water droplets can be transported on a target track.

ガイド溝の深さは搬送する水滴の大きさにより最適化する必要があるが、例えば、直径1mmの水滴では50μmから20μm程度である。深すぎると、例えば、ガイド溝同士の交差点を温度勾配による駆動力で横切らせることが困難になる。これは、直交するガイド溝の交差点に位置する水滴を、交差点の中央に保持しようとする復元力が比較的大きくなるため、交差点を乗り越えて水滴を移動させることが困難になるためである。一方、浅すぎると、復元力が不足してガイド溝から水滴が外れやすくなってしまう。以上より、水滴が大きくなるほど、ガイド溝の深さをより深く、水滴が小さくなるほど、ガイド溝の深さをより浅くしなければならない。   The depth of the guide groove needs to be optimized depending on the size of the water droplet to be transported. For example, the depth of the water droplet having a diameter of 1 mm is about 50 μm to 20 μm. If it is too deep, for example, it becomes difficult to cross the intersection of the guide grooves with a driving force due to a temperature gradient. This is because the restoring force for maintaining the water droplet located at the intersection of the orthogonal guide grooves at the center of the intersection becomes relatively large, and it becomes difficult to move the water droplet over the intersection. On the other hand, if it is too shallow, the restoring force is insufficient and water droplets are likely to come off from the guide groove. From the above, the depth of the guide groove has to be deeper as the water droplet is larger, and the depth of the guide groove has to be shallower as the water droplet is smaller.

水滴がガイド溝の交差点に位置するとき、水滴を取り囲む4つのヒータを同時に同じ出力で駆動すると、表面張力による駆動力は互いに打ち消しあって水滴はその位置に留まった状態になる。ヒータによる加熱を継続すると水滴を加熱することができる。例えば、水滴16bがガイド溝19aとガイド溝19bの交差点に位置するとき、水滴16bを取り囲む4つのヒータ12d,12e,12f,12gを同時に同じ出力で駆動すると、水滴16bはその位置に留まった状態になる。この4つのヒータによる加熱を継続すると水滴16bを加熱することができる。   When the water droplets are located at the intersection of the guide grooves, if the four heaters surrounding the water droplets are simultaneously driven with the same output, the driving forces due to the surface tension cancel each other and the water droplets remain in that position. If the heating by the heater is continued, the water droplet can be heated. For example, when the water droplet 16b is located at the intersection of the guide groove 19a and the guide groove 19b, when the four heaters 12d, 12e, 12f, and 12g surrounding the water droplet 16b are simultaneously driven with the same output, the water droplet 16b remains in that position. become. If heating by these four heaters is continued, the water droplet 16b can be heated.

本実施形態に係る液滴輸送装置10では、液滴輸送時には、直接に水滴を加熱するのではなく、その周囲の油膜を介して加熱するため、水滴に含まれる試料への熱的なダメージを抑制することができる。一方、上述する方法により、水滴の位置を固定して加熱することもできる。   In the droplet transport device 10 according to the present embodiment, when the droplet is transported, the water droplet is not directly heated, but is heated through the surrounding oil film, so that thermal damage to the sample contained in the water droplet is prevented. Can be suppressed. On the other hand, the position of the water droplet can be fixed and heated by the method described above.

さらに、水滴の表面は空間に露出しているので、水滴中の水分を蒸発させることができる。ヒータによる水滴の加熱や、水滴周囲の気圧を下げて蒸発を促進するなどの方法を組み合わせることにより、水滴中に含まれる試料や薬剤を濃縮することが可能である。この機能は、水滴を完全に油の中に浸す形式の輸送方法においては、実現不可能な機能である。なお、従来の液滴輸送技術と同様に、液滴同士の合体は、一方の液滴を他方の液滴の存在する位置へ輸送することにより達成される。   Furthermore, since the surface of the water droplet is exposed to the space, the water in the water droplet can be evaporated. By combining methods such as heating a water droplet with a heater and promoting evaporation by lowering the atmospheric pressure around the water droplet, it is possible to concentrate the sample or drug contained in the water droplet. This function cannot be realized in a transportation method in which water droplets are completely immersed in oil. Similar to the conventional droplet transport technology, the coalescence of droplets is achieved by transporting one droplet to a position where the other droplet exists.

基板表面の油膜の厚さは面積当たりに供給した油の量で決まるが、水滴の移動に影響のない狭い幅の溝を基板表面に多数形成(油膜量調整溝20)することにより、ある程度、供給油量に関係なく、油膜の厚さをその溝幅で規定した寸法に調整することができる。   The thickness of the oil film on the substrate surface is determined by the amount of oil supplied per area, but by forming a large number of narrow grooves on the substrate surface that do not affect the movement of the water droplets (oil film amount adjusting groove 20), Regardless of the amount of oil supplied, the thickness of the oil film can be adjusted to a dimension defined by the groove width.

油膜量調整溝20のすべてを埋め尽くさない程度の油量であれば、油膜の圧力は常に外気圧より低く保たれ、余分な油は油膜量調整溝20に吸収される。この結果、基板表面を薄く油膜で覆われた状態に保つことができる。これにより、水滴の回りにまとわりつく油量を最小に保つことができると同時に、駆動に必要な油膜を基板表面に維持することができる。   If the amount of oil is such that it does not fill all of the oil film amount adjusting groove 20, the oil film pressure is always kept lower than the external pressure, and excess oil is absorbed by the oil film amount adjusting groove 20. As a result, the substrate surface can be kept thin and covered with an oil film. As a result, the amount of oil clinging around the water droplets can be kept to a minimum, and at the same time, an oil film necessary for driving can be maintained on the substrate surface.

<第2の実施形態>
図4は、第2の実施形態に係る液滴輸送装置における部分的な概略側断面図である。同図に示すように、フォトリソグラフにより、ガラス基板41に薄膜ヒータ42a,42bと、配線42-1,42-2を形成した。ヒータを格子状に配置させると配線の引き回しが複雑になるので、各ヒータ共通のGND線とヒータおよび個別の配線は異なる層として形成した。配線42-1,42-2は金、薄膜ヒータ42a,42bはクロムで形成し、それぞれ5000オングストローム程度の厚さとした。二層間の絶縁層として5000オングストロームのシリカ層を堆積した。
<Second Embodiment>
FIG. 4 is a partial schematic cross-sectional side view of the droplet transport device according to the second embodiment. As shown in the figure, thin film heaters 42a and 42b and wirings 42-1 and 42-2 were formed on a glass substrate 41 by photolithography. If the heaters are arranged in a grid, wiring is complicated, so the GND lines common to each heater, the heaters, and the individual wirings are formed as different layers. The wirings 42-1 and 42-2 were made of gold, and the thin film heaters 42a and 42b were made of chrome, each having a thickness of about 5000 angstroms. A 5000 angstrom silica layer was deposited as an insulating layer between the two layers.

さらに、複数の薄膜ヒータ素子の上において、全体を1μm程度のシリカ層で埋め込み、その後、エッチングにより深さ20μmのガイド溝49a,49b,49cを形成した。ガイド溝49a,49b,49cは、第1の実施形態において説明した連続的なガイド溝ではなく、薄膜ヒータ42a,42bと配線42-1,42-2のない、各ヒータ間の空間に形成した。   Furthermore, on the plurality of thin film heater elements, the whole was filled with a silica layer of about 1 μm, and thereafter, guide grooves 49a, 49b, 49c having a depth of 20 μm were formed by etching. The guide grooves 49a, 49b, and 49c are not the continuous guide grooves described in the first embodiment, but are formed in spaces between the heaters without the thin film heaters 42a and 42b and the wirings 42-1 and 42-2. .

この所定の間隔を有し、飛び飛びに形成したガイド溝49a,49b,49cにより、水滴46をヒータ配列の一区画ずつ移動させることが可能な構成とした。すなわち、ガイド溝49bに位置している水滴46に対して、薄膜ヒータ42aに通電して加熱することにより、水滴46に方向48bへ移動する力が加わり、隣接して形成されたガイド溝49cに移動させることができる。逆に、薄膜ヒータ42bに通電して加熱することにより、水滴46に方向48aへ移動する力が加わり、隣接して形成されたガイド溝49aに移動させることができる。   The water droplets 46 can be moved by one section of the heater array by the guide grooves 49a, 49b, and 49c formed in a predetermined manner with a predetermined interval. That is, when the water droplet 46 located in the guide groove 49b is heated by energizing the thin film heater 42a, a force that moves the water droplet 46 in the direction 48b is applied to the adjacent guide groove 49c. Can be moved. On the contrary, when the thin film heater 42b is energized and heated, a force to move the water droplet 46 in the direction 48a is applied and can be moved to the adjacent guide groove 49a.

薄膜ヒータ42a,42bは、蛇行形状に形成され、抵抗値が約1KΩとなっている。水滴46を一区画、移動させるために必要なヒータ印加電圧は3.8Vで、移動時間は1秒であった。消費電力は15mWとなる。移動速度は、1mm/秒と速く、消費電力も従来の方法に比べて、一桁低い。   The thin film heaters 42a and 42b are formed in a meandering shape and have a resistance value of about 1 KΩ. The heater applied voltage required to move the water droplet 46 in one section was 3.8 V, and the moving time was 1 second. The power consumption is 15 mW. The moving speed is as fast as 1 mm / second, and the power consumption is an order of magnitude lower than that of the conventional method.

基板表面の撥水処理は、溶剤で希釈したシリコンオイルを表面に塗布した後、300度で焼き付けて処理した。撥水処理としては、この他にも、市販の撥水剤を塗布したり、溶剤に溶かしたテフロン(登録商標)をスピンコートしたり、テフロンをスパッタで蒸着したりするなどの方法が挙げられる。撥水処理した表面は無極性の油に対しては濡れやすく、シリコンオイルを滴下すると、全面に広がり薄い油膜45が形成される。   The water repellent treatment of the substrate surface was performed by applying silicon oil diluted with a solvent to the surface and baking it at 300 degrees. Other examples of the water repellent treatment include a method of applying a commercially available water repellent, spin-coating Teflon (registered trademark) dissolved in a solvent, or depositing Teflon by sputtering. . The water repellent treated surface is easily wetted with non-polar oil, and when silicone oil is dropped, a thin oil film 45 is formed over the entire surface.

表面に塗布する油としては、水と互いに混ざることのない無極性の液体であればよく、シリコンオイル(ジメチルポリシロキサン)や、フロリナート(パーフルオロヘキサン、フッ素系溶剤)、食用油(菜種油など融点の低いもの)などを使用することができる。特にシリコンオイルは蒸気圧が低いので蒸発する量が少なく適している。なお、図4には示していないが、油膜45が厚くならないように、余分な油量を吸収する溝が基板表面に形成されており、これらはガイド溝と一緒にエッチングにより形成されている。   The oil to be applied to the surface may be any nonpolar liquid that does not mix with water. Silicon oil (dimethylpolysiloxane), fluorinate (perfluorohexane, fluorinated solvent), edible oil (rapeseed oil, etc.) Can be used). In particular, silicon oil is suitable because it has a low vapor pressure and therefore has a small amount of evaporation. Although not shown in FIG. 4, grooves that absorb an excessive amount of oil are formed on the substrate surface so that the oil film 45 does not become thick, and these are formed by etching together with the guide grooves.

<第3の実施形態>
図5は、第3の実施形態に係る液滴輸送装置における部分的な概略側断面図である。第1、第2の実施形態では、輸送対象である水滴が、基板の上において水滴の上方を空間に露出させて位置しているが、水滴の蒸発を抑制するためには、密閉した空間で水滴を輸送することが好ましい場合がある。
<Third Embodiment>
FIG. 5 is a partial schematic cross-sectional side view of the droplet transport device according to the third embodiment. In the first and second embodiments, the water droplets to be transported are positioned on the substrate with the upper portion of the water droplets exposed in the space. It may be preferable to transport water droplets.

図5に示すように、本実施形態では、下部基板51に平行に対向して上部基板60が設置されており、下部基板51と上部基板60とに挟まれた空間に水滴56が存在している。下部基板51には、上述する実施形態と同じくヒータ52a,52bが配列して形成されている。一方、上部基板60には、ガイド溝59a,59b,59cが形成されており、上下の基板の表面は撥水処理が施され、油膜55が薄く塗布されている。   As shown in FIG. 5, in the present embodiment, the upper substrate 60 is disposed in parallel with the lower substrate 51, and water droplets 56 exist in the space between the lower substrate 51 and the upper substrate 60. Yes. On the lower substrate 51, heaters 52a and 52b are arranged in the same manner as in the above-described embodiment. On the other hand, guide grooves 59a, 59b, 59c are formed in the upper substrate 60, and the surfaces of the upper and lower substrates are subjected to water repellent treatment, and an oil film 55 is thinly applied.

水滴56は、上下基板51,60の対向する表面に接触しており、その結果、水滴56は上述する実施形態のように半球状でなく、円筒形状となっている。また、水滴56は、油膜55の表面張力により、上下基板51,60にそれぞれ引き付けられており、上部基板60に形成したガイド溝59a,59b,59cは有効にその機能を果たすことができる。   The water droplets 56 are in contact with the opposing surfaces of the upper and lower substrates 51 and 60. As a result, the water droplets 56 are not hemispherical as in the above-described embodiment, but are cylindrical. The water droplets 56 are attracted to the upper and lower substrates 51 and 60 by the surface tension of the oil film 55, respectively, and the guide grooves 59a, 59b and 59c formed in the upper substrate 60 can effectively perform their functions.

第3の実施形態では、上部基板60に形成するガイド溝59a,59b,59cとして、切削加工により、直線溝を格子状に形成した。この上部基板60を、下部基板51のヒータ配列に対応するように重ねて、周囲にスペーサを挟んで固定した。水滴56が存在する空間は、上下基板51,60で挟まれた空間であるため、水滴56における水分の蒸発を抑制することができる。さらに、周囲を閉じることにより、密閉した空間とすることは容易である。第3の本実施形態においても、上述する実施形態とほぼ同じ電力、および移動速度により、水滴をガイド溝に沿って輸送することができた。   In the third embodiment, as the guide grooves 59a, 59b, 59c formed in the upper substrate 60, straight grooves are formed in a lattice shape by cutting. The upper substrate 60 was overlapped so as to correspond to the heater arrangement of the lower substrate 51, and fixed with a spacer around. Since the space where the water droplet 56 exists is a space sandwiched between the upper and lower substrates 51 and 60, evaporation of moisture in the water droplet 56 can be suppressed. Furthermore, it is easy to make a sealed space by closing the periphery. Also in the third embodiment, water droplets could be transported along the guide groove with substantially the same power and moving speed as in the above-described embodiment.

<その他の実施形態>
上述する各実施形態では、局所的な温度勾配を発生させる手段として、基板に形成した金属薄膜ヒータを挙げて説明したが、この他にも、発熱体として、基板にカーボンや金属を埋め込んだり、またはこれらを微粒子として分散させたりして、レーザー、交流電界又は交流磁界により外部から局所的に加熱して温度勾配を与えるようにしてもよい。さらに、ヒータの配線を簡便にするため、個々のヒータに隣接してダイオードやトランジスタなどの半導体素子を組み込んで、ヒータのON/OFFを制御してもよい。
<Other embodiments>
In each of the above-described embodiments, as a means for generating a local temperature gradient, the metal thin film heater formed on the substrate has been described, but in addition to this, as a heating element, carbon or metal is embedded in the substrate, Or these may be disperse | distributed as microparticles | fine-particles, and you may make it heat locally from the outside with a laser, an alternating electric field, or an alternating magnetic field, and may give a temperature gradient. Furthermore, in order to simplify the wiring of the heater, a semiconductor element such as a diode or a transistor may be incorporated adjacent to each heater to control ON / OFF of the heater.

また、水滴を輸送する目的は、水滴に所望の薬品や試料を混入させて、これらを輸送することである。水溶性の薬剤や試料は、水滴に直接溶解させることにより、輸送することができる。一方、水溶性でない薬剤等の場合には、例えば多孔質シリカに薬剤等を吸着させて、これを水滴に混入させることにより、輸送が可能である。   The purpose of transporting the water droplets is to mix the desired chemicals or sample into the water droplets and transport them. Water-soluble drugs and samples can be transported by dissolving them directly in water droplets. On the other hand, in the case of a drug that is not water-soluble, for example, the drug can be transported by adsorbing the drug or the like on porous silica and mixing it with water droplets.

例えば、香料の一つであるリモネンを多孔質シリカに吸着させて、これを水滴に混入させた場合には、シリカ表面は親水性であるため水滴内部に閉じ込められ、水滴を液滴輸送装置により輸送しても油膜側に抜け出すことはなかった。また、シリカの吸着させたリモネンについては、輸送中はリモネンの放出は観測されなかったが、水滴の位置を固定して、水滴を加熱するとリモネンの放出が観測された。   For example, when limonene, which is one of the fragrances, is adsorbed on porous silica and mixed with water droplets, the silica surface is hydrophilic and is trapped inside the water droplets, and the water droplets are collected by a droplet transport device. Even when transported, the oil film did not escape. For limonene adsorbed with silica, no release of limonene was observed during transportation, but when the position of the water droplet was fixed and the water droplet was heated, the release of limonene was observed.

図6は、液滴の加熱によるリモネン放出の時間変化を示すグラフである。実験は、直径2mmの水滴に、リモネンを吸着させた多孔質シリカ球(平均粒径170μm)を混入させて行った。この水滴の位置を保持した状態で加熱するため、周囲の四方のヒータに同時に通電して加熱した(例えば、図3の水滴16bを参照。)。加熱のパワーは全部で400mWであり、加熱時間は5秒とした。また、リモネンの検出は、紫外線による香り分子のイオン化を原理にした測定器を用いた。   FIG. 6 is a graph showing changes in limonene release over time due to droplet heating. The experiment was performed by mixing water droplets having a diameter of 2 mm with porous silica spheres (average particle size: 170 μm) on which limonene was adsorbed. In order to heat while maintaining the position of the water droplet, the surrounding four heaters were energized and heated simultaneously (see, for example, the water droplet 16b in FIG. 3). The heating power was 400 mW in total, and the heating time was 5 seconds. Limonene was detected using a measuring device based on the principle of ionization of fragrant molecules by ultraviolet rays.

図6に示すように、1回目の加熱により、数秒の遅延でリモネンが放出されたことが分かる。更に、続けて行った2回目の加熱ではほとんど検出されず、1回目の加熱でほとんどのリモネンが放出されたことが分かる。   As shown in FIG. 6, it can be seen that limonene was released with a delay of several seconds by the first heating. Furthermore, it is hardly detected by the second heating performed continuously, and it can be seen that most of the limonene was released by the first heating.

液滴の輸送に必要なヒータの出力は、上述したように15mWであり、リモネン放出に必要な加熱(400mW)に比べて1桁少ない。また、加熱位置から水滴は遠ざかるように移動するため、水滴自体は加熱されず、輸送中にはリモネンは放出されることはなかった。このように、多孔質シリカという親水性の一種のカプセルを利用することにより、香料などの水溶性でない薬剤を輸送したり、化学反応へ関与させたりすることも可能である。   As described above, the output of the heater necessary for transporting the droplet is 15 mW, which is an order of magnitude less than the heating necessary for releasing limonene (400 mW). Further, since the water droplets moved away from the heating position, the water droplets themselves were not heated, and limonene was not released during transportation. In this way, by using a kind of hydrophilic capsule called porous silica, it is possible to transport a non-water-soluble drug such as a perfume or to participate in a chemical reaction.

なお、上述する各実施形態では、基板表面に撥水処理を施すと共に油膜を形成し、輸送対象として水性の液滴とした例を説明したが、これとは逆に、基板表面に撥油処理を施すと共に水性の膜を形成し、輸送対象として油性の液滴としてもよい。この場合の原理は、上述する各実施形態と同じ原理であるため、説明は省略する。なお、油の表面張力は水に比べて数分の1と低いので、水滴のように球形に近い形となりにくい性質があるが、これも液滴径との兼ね合いで、直径が約100μm以下の液滴とすることで球形に保つことが可能となる。   In each of the above-described embodiments, an example in which a water-repellent treatment is performed on the substrate surface and an oil film is formed to form water droplets as a transport target has been described. On the contrary, an oil-repellent treatment is performed on the substrate surface. In addition, an aqueous film may be formed and oily droplets may be transported. Since the principle in this case is the same principle as each embodiment mentioned above, description is abbreviate | omitted. Since the surface tension of oil is as low as a fraction of that of water, it has a property that is unlikely to be a spherical shape like a water droplet, but this is also in balance with the droplet diameter, and the diameter is about 100 μm or less. It becomes possible to maintain a spherical shape by forming a droplet.

第1の実施形態に係る液滴輸送装置における液滴の移動原理を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the movement principle of the droplet in the droplet transport apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る液滴輸送装置における液滴の移動原理を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the movement principle of the droplet in the droplet transport apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る液滴輸送装置の概略平面図である。1 is a schematic plan view of a droplet transport device according to a first embodiment. 第2の実施形態に係る液滴輸送装置における部分的な概略側断面図である。It is a partial schematic sectional side view in the droplet transport apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係る液滴輸送装置における部分的な概略側断面図である。It is a partial schematic sectional side view in the droplet transport apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 液滴の加熱によるリモネン放出の時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of limonene discharge | release by the heating of a droplet.

符号の説明Explanation of symbols

1 下部基板
2 ヒータ
2a〜2d ヒータ
3 スイッチ
3a〜3d スイッチ
4 電源
5 油膜
6 水滴
6a〜6c 水滴
7 加熱による油膜の移動方向
8 水滴の移動方向

θ 水滴の基板に対する油中での接触角
F 水滴に働く油膜の表面張力

10 液滴輸送装置
11 下部基板
12 ヒータ
12a〜12g ヒータ
16 水滴
16a,16b 水滴
19 ガイド溝
19a,19b ガイド溝
20 油膜量調整溝

41 下部基板
42a,42b ヒータ
42-1 配線
42-2 層間配線
45 油膜
46 水滴
48a,48b 水滴の移動方向
49a〜49c ガイド溝

51 下部基板
52a,52b ヒータ
52-1 配線
52-2 層間配線
55 油膜
56 水滴
58a,58b 水滴の移動方向
59a〜59c ガイド溝
60 上部基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lower board | substrate 2 Heater 2a-2d Heater 3 Switch 3a-3d switch 4 Power supply 5 Oil film 6 Water droplet 6a-6c Water droplet 7 Oil film movement direction by heating 8 Water droplet movement direction

θ Contact angle of water droplet to substrate in oil F Surface tension of oil film acting on water droplet

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Droplet transport apparatus 11 Lower substrate 12 Heater 12a-12g Heater 16 Water droplet 16a, 16b Water droplet 19 Guide groove 19a, 19b Guide groove 20 Oil film amount adjustment groove

41 Lower substrate 42a, 42b Heater
42-1 Wiring
42-2 Interlayer wiring 45 Oil film 46 Water droplets 48a, 48b Movement direction of water droplets 49a-49c Guide grooves

51 Lower substrate 52a, 52b Heater
52-1 Wiring
52-2 Interlayer wiring 55 Oil film 56 Water droplets 58a, 58b Movement direction of water droplets 59a to 59c Guide groove 60 Upper substrate

Claims (8)

基板の表面において水性の液滴を輸送する液滴輸送装置において、
前記基板の表面は撥水処理されると共に、当該表面に油性の膜が形成され、
前記基板の表面に局所的な温度勾配を発生させる加熱手段が設けられていることを特徴とする液滴輸送装置。
In a droplet transport device that transports aqueous droplets on the surface of a substrate,
The surface of the substrate is water-repellent and an oily film is formed on the surface.
A droplet transporting device, wherein a heating means for generating a local temperature gradient is provided on the surface of the substrate.
基板の表面において油性の液滴を輸送する液滴輸送装置において、
前記基板の表面は撥油処理されると共に、当該表面に水性の膜が形成され、
前記基板の表面に局所的な温度勾配を発生させる加熱手段が設けられていることを特徴とする液滴輸送装置。
In a droplet transport device that transports oily droplets on the surface of a substrate,
The surface of the substrate is treated with oil repellency, and an aqueous film is formed on the surface.
A droplet transporting device, wherein a heating means for generating a local temperature gradient is provided on the surface of the substrate.
請求項1又は2に記載する液滴輸送装置において、
前記基板に対向して設けられる他の基板を有し、当該他の基板の表面は前記基板の表面と同種の処理が施されると共に、同種の膜が形成されており、
前記液滴は、前記基板と前記他の基板とに挟まれた空間を移動することを特徴とする液滴輸送装置。
In the droplet transport device according to claim 1 or 2,
There is another substrate provided opposite to the substrate, the surface of the other substrate is subjected to the same kind of treatment as the surface of the substrate, and the same kind of film is formed,
The droplet transporting apparatus, wherein the droplet moves in a space sandwiched between the substrate and the other substrate.
請求項1ないし3のいずれかに記載する液滴輸送装置において、
前記膜の前記基板表面に対する接触角はほぼ0度であり、
前記液滴は、前記膜中における前記基板表面との接触角が90度より大きいことを特徴とする液滴輸送装置。
In the droplet transport device according to any one of claims 1 to 3,
The contact angle of the film to the substrate surface is approximately 0 degrees;
The droplet transport device according to claim 1, wherein a contact angle of the droplet with the substrate surface in the film is larger than 90 degrees.
請求項1ないし4のいずれかに記載する液滴輸送装置において、
前記基板の表面または前記他の基板の表面の少なくとも一方には、前記液滴の輸送方向に沿ってガイド溝が形成されていることを特徴とする液滴輸送装置。
In the droplet transport device according to any one of claims 1 to 4,
At least one of the surface of the substrate or the surface of the other substrate is provided with a guide groove along the droplet transport direction.
請求項5に記載する液滴輸送装置において、
前記ガイド溝は、前記液滴の半径にほぼ等しい幅を有する溝であることを特徴とする液滴輸送装置。
In the droplet transport device according to claim 5,
The droplet transport device according to claim 1, wherein the guide groove is a groove having a width substantially equal to a radius of the droplet.
請求項5又は6に記載する液滴輸送装置において、
前記ガイド溝は、前記液滴の輸送方向に沿って間欠的に形成されていることを特徴とする液滴輸送装置。
In the droplet transport device according to claim 5 or 6,
The droplet transport device according to claim 1, wherein the guide groove is formed intermittently along the transport direction of the droplet.
請求項1ないし7のいずれかに記載する液滴輸送装置において、
前記基板の表面または前記他の基板の表面の少なくとも一方には、前記膜の厚さを調整する溝が形成されていることを特徴とする液滴輸送装置。
In the droplet transport device according to any one of claims 1 to 7,
A droplet transporting device, wherein a groove for adjusting the thickness of the film is formed on at least one of the surface of the substrate and the surface of the other substrate.
JP2004198763A 2004-07-06 2004-07-06 Droplet transport device Expired - Fee Related JP4369315B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004198763A JP4369315B2 (en) 2004-07-06 2004-07-06 Droplet transport device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004198763A JP4369315B2 (en) 2004-07-06 2004-07-06 Droplet transport device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2006021067A true JP2006021067A (en) 2006-01-26
JP4369315B2 JP4369315B2 (en) 2009-11-18

Family

ID=35794727

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004198763A Expired - Fee Related JP4369315B2 (en) 2004-07-06 2004-07-06 Droplet transport device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4369315B2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008076279A (en) * 2006-09-22 2008-04-03 Toppan Printing Co Ltd Micro fluid device
JP2015164732A (en) * 2009-10-15 2015-09-17 ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア Digital microfluidic platform for radiochemistry
CN107640739A (en) * 2017-09-06 2018-01-30 邱丹丹 Drop method self-driven over long distances on wetting gradient surface
CN113165132A (en) * 2018-12-21 2021-07-23 三菱电机株式会社 Stain-resistant base material and article

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008076279A (en) * 2006-09-22 2008-04-03 Toppan Printing Co Ltd Micro fluid device
JP2015164732A (en) * 2009-10-15 2015-09-17 ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア Digital microfluidic platform for radiochemistry
CN107640739A (en) * 2017-09-06 2018-01-30 邱丹丹 Drop method self-driven over long distances on wetting gradient surface
CN113165132A (en) * 2018-12-21 2021-07-23 三菱电机株式会社 Stain-resistant base material and article

Also Published As

Publication number Publication date
JP4369315B2 (en) 2009-11-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tang et al. Loss-free photo-manipulation of droplets by pyroelectro-trapping on superhydrophobic surfaces
EP3227025B1 (en) Single-sided light-actuated microfluidic device with integrated mesh ground
US7216660B2 (en) Method and device for controlling liquid flow on the surface of a microfluidic chip
Liu et al. Opto-thermophoretic manipulation
CN111957453B (en) Method for improving accuracy and precision of drop metering using an on-actuator reservoir as a fluid input
Kovarik et al. Nanofluidics in lab-on-a-chip devices
JP5437575B2 (en) Device for moving and processing droplets
Sen et al. Scaling laws in directional spreading of droplets on wettability-confined diverging tracks
Çetin et al. Continuous particle separation by size via AC‐dielectrophoresis using a lab‐on‐a‐chip device with 3‐D electrodes
Hu et al. Field effect control of electrokinetic transport in micro/nanofluidics
US20100120130A1 (en) Droplet Actuator with Droplet Retention Structures
Fuest et al. A three-state nanofluidic field effect switch
ES2908883T3 (en) Methods for sample analysis
Alino et al. Detecting proteins in microfluidic channels decorated with liquid crystal sensing dots
JP2018522220A (en) Water droplet generation and trapping in a microfluidic chip with a continuous gas phase
JP2005274573A (en) Dynamically controllable biological/chemical detector having nano-structure surface
Regan et al. Droplet manipulation with bioinspired liquid-infused surfaces: A review of recent progress and potential for integrated detection
Abadian et al. based digital microfluidics
Khater et al. Thermal droplet microfluidics: From biology to cooling technology
Vourdas et al. Droplet mobility manipulation on porous media using backpressure
WO2016170345A1 (en) Mifrofluidic apparatus and method for producing an emulsion, use of the apparatus, method for making a microfluidic apparatus and a surfactant
Lee et al. Spontaneous selective preconcentration leveraged by ion exchange and imbibition through nanoporous medium
Sabbagh et al. Tunable nanochannels connected in series for dynamic control of multiple concentration-polarization layers and preconcentrated molecule plugs
Kabi et al. Moses effect: Splitting a sessile droplet using a vapor-mediated marangoni effect leading to designer surface patterns
JP4369315B2 (en) Droplet transport device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20060829

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20081015

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20090512

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20090709

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20090825

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20090827

R150 Certificate of patent (=grant) or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120904

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130904

Year of fee payment: 4

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees