JP2006126170A - マイクロフルーイディクチャンネルにおける薄い懸濁液の速度分布の測定方法及びその装置 - Google Patents
マイクロフルーイディクチャンネルにおける薄い懸濁液の速度分布の測定方法及びその装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】 マイクロフルーイディクチャンネル(microfluidic channel)内に流れる薄い懸濁液の速度分布を測定する方法、前記速度分布の測定方法に用いられるマイクロフルーイディクチップ、及び前記マイクロフルーイディクチップの製造方法を提供する。
【解決手段】 （a）マイクロフルーイディクチャンネル内を蛍光顕微鏡で撮影して映像データを得る段階、（b）前記映像データをフィルタリングして一つの色からなる映像データを得る段階、（c）前記映像データで、懸濁粒子の軌跡が表れた部分の光の強度をピクセル単位で数値化して行列を作る段階、（d）前記行列を粒子の進行方向に対して数値微分する段階、（e）雑音を除去するために前記数値微分された行列の各元素を平均化する段階、（f）前記平均化された値のうち、最大値および最小値を表すピクセル間の距離を計算する段階、（g）前記距離から粒子速度を測定する段階よりなる。
【選択図】 図２
【解決手段】 （a）マイクロフルーイディクチャンネル内を蛍光顕微鏡で撮影して映像データを得る段階、（b）前記映像データをフィルタリングして一つの色からなる映像データを得る段階、（c）前記映像データで、懸濁粒子の軌跡が表れた部分の光の強度をピクセル単位で数値化して行列を作る段階、（d）前記行列を粒子の進行方向に対して数値微分する段階、（e）雑音を除去するために前記数値微分された行列の各元素を平均化する段階、（f）前記平均化された値のうち、最大値および最小値を表すピクセル間の距離を計算する段階、（g）前記距離から粒子速度を測定する段階よりなる。
【選択図】 図２
Description
本発明はマイクロフルーイディクチャンネル内に流れる懸濁液の速度分布を測定する方法、前記速度分布の測定方法に用いられるマイクロフルーイディクチップ、及び前記マイクロフルーイディクチップの製造方法に関するものである。
懸濁液の速度分布に対する情報は、溶液の特性による流動制御、分離及び分析性能に関する溶液の分散(dispersion)、及び各チャンネルでの効率的な流量分配を考慮するマイクロフルーイディクチップまたはラップオンアチップ(lab-on-a-chip)の設計で極めて重要に活用される情報である。特に、チップの素材によるチャンネル壁面の特性により変化する速度分布形態から、チップの物性と分離性能の間の相関関係を理解するにおいて有用な基準を提示する。
例えば、ポリディメチルシルロックサヌレプリカ(PDMS replica)及びガラス基板から成るPDMS-ガラスマイクロフルーイディクチップ内のマイクロフルーイディクチャンネルに流れる流体は、疎水性のPDMS材質及び親水性のガラス材質により流体の境界条件が相違になる。これにより、マイクロフルーイディクチャンネル内部に流れる懸濁液の流れがPDMS壁面では滑り(slip)境界条件を有し、ガラス壁面では滑りのない(no-slip)境界条件を有する非対称形速度分布を示す。従って、マイクロフルーイディクチップをクロマトグラフィーまたは電気泳動(electrophoresis)等の分析装置で用いるか、またはマイクロフルーイディクチップのマイクロフルーイディクチャンネルでの流量を調節するためのチャンネル設計に各溶液の条件による粒子速度分布の測定が必要である。
Micro-electromechanical system (MEMS)工程及び微細加工技術により好ましいサイズのチャンネル幅を有するマイクロフルーイディクチャンネルを容易に製作することが出来る。これに基づくマイクロフルーイディクチップ形態のラップオンアチップ技術により、マイクロトータル分析システム(micro total analysis system, μ-TAS)、または高処理能力システム(high throughput system, HTS)を実現することになった。特に、既存の分析方式とは異なりラップオンアチップの小さいサイズは現場で即刻的に試料が分析できる携帯性を分析機器に与えることが出来る[Reyes, D.R., Iossifidis, D., Auroux, P.-A., Manz, A., "Micro Total Analysis Systems.1. Introduction, Theory, and Technology", Anal. Chem., 74, 2623-2636, 2002; Auroux,P.A., Iossifidis, D., Reyes, D.R., Manz, A., "Micro Total Analysis Systems. 2. Analytical Standard Operations and Applications", Anal. Chem., 74, 2637-2652, 2002]。
1990年代半ばまでの初期研究者らはシリコン(Si)中心の微細加工を用いてマイクロフルーイディク装置を開発したが、1990年代の半ば以後には大量で容易に複製(replication)し、成形できる一回用(disposable)プラスチック素材を対象に加工する微細加工技術が発展した。そのうち、最近多様に利用されている方法は感光性高分子であるフォトレジストSU8及びPDMS材質を用いることである。PDMSにマイクロフルーイディクチャンネルを形成するために、通常にウェーファー(wafer)上に高分子物質を用いてマイクロフルーイディクチャンネルに該当する構造物を形成し、硬化しない液相のPDMSをウェーファー鋳型に注いで硬化させ、以後、硬化されたPDMSを離して適切な大きさで切断し、ガラス基板に接合させる。マクドナルド及びワイトサイズの研究 [J.C. McDonald, G.M. Whitesides, "Poly(dimethylsiloxane) as a material for fabricating microfluidic devices", Acc. Chem. Res., 35(7), 491-498, 2002]のように、前記方法は大量のマイクロフルーイディクチップを製作するにおいて、既存のガラスウェーファー、またはシリコンウェーファー等を食刻(etching)する方法より、工程上便利でその製作費用も少なく所要になる。
微細流れに対する流動可視化(flow visualization) 研究に関して、テーラー及びYeung等は１マイクロメートル以下サイズの蛍光粒子の界面動電気(electrokinetic)流動及び圧力勾配流動に対する粒子軌跡流速技法(particle streak velocimetry, PSV)を適用したことがある[Taylor J.A., Yeung E.S. "Imaging of hydrodynamic and electrokinetic flow profiles in capillaries", Anal. Chem., 65, 2928-2932, 1993]。結果値で、ある程度の偏差は表れるが、圧力勾配流れの速度分布で放物線(parabolic)形態を得た。界面動電気流れでは壁面で電気浸透速度が形成されるが、荷電された粒子の電気泳動運動による粘性抗力で少し凹んだ形態を表した。しかし、これらは軌跡映像に対する精密な数値的処理過程なしに単純に粒子の移動距離を決定したので、速度分布結果に対する正確度を改善する必要がある。
マイクロフルーイディクチャンネルにおける微細流れに対する速度分布を測定できる方法において、微細粒子映像流速技法(micro-particle image velocimetry, μ-PIV)が最近に開発された。μ-PIV で粒子映像から粒子の速度場を求める方法は、パターンマッチング流速技法(pattern matching velocimetry, PMV) 及び粒子軌跡流速技法(particle tracking velocimetry, PTV)に分けられる。
基本的に、粒子が流れる流路に光板(light-sheet)を瞬間的に加えて、粒子軌跡が生じない初めの映像 I1 を得、一定時間以後に光板をもう一度加えて粒子の軌跡が生じない二番目の映像 I2 を得た。それぞれの映像に対して高速フーリエ変換(fast Fourier transform)を実行した結果をそれぞれ I1 - 及び I2 -とし、前記 I1 - 及び I2 - に対して同一の局部位置での結果に複素―共役倍(complex-conjugate multiplication)を実施した後、逆高速フーリエ変換(inverse fast Fourier transform)を行って交差相関データ(cross-correlation data)を得る。
前記データを用いて各粒子の正確な速度を得ることは出来るが、前記の過程はフーリエ変換及び逆フーリエ変換処理をそれぞれの局部位置に対して行うので、大量の数値的処理が要求される[Raffel, M., Willert, C.E., Kompenhans, J., Particle Image Velocimetry: A Practical Guide, Springer, Berlin, 1998; Santiago, J.G., Wereley, S.T., Meinhart, C.D., Beebe, D.J., Adrian, R.J., "A particle image velocimetry system for microfluidics", Exp. Fluids, 25, 316-319, 1998]。
ラップオンアチップで扱う溶液の大部分は淡い濃度で粒子が分散された懸濁液として、この場合は、高価の装備と膨大なデータ処理を要求するPIVを適用する代わりに、PSVを適用することが効果的である。しかし、PSVの適用においては実験データに対する精密な数値処理で正確度を高めにするのが要求される。
従って、マイクロフルーイディクチャンネルでの微細流れに対する速度分布を効果的な数値処理として正確に測定する方法を開発する必要がある。
本発明は、前記した問題点を解決するために案出されたものとして、本発明者らは懸濁液の速度分布を測定するために、チャンネル幅に比べてチャンネル深さが十分に大きいスリット(slit)型チャンネルを有するPDMS-ガラスラップオンアチップを製作して１次元流動を形成し、実験から得たモデル蛍光粒子の軌跡映像データを効率的に処理して、従来の分析方法よりさらに正確で、速やかに速度分布を求めた。データ処理過程で数値計算は商業的な専門ソフトウェアであるマトラブ(MatLab, Mathworks, MA)プログラムを用いて実行した。蛍光顕微鏡観測で得られた粒子軌跡データからマイクロフルーイディクチャンネル内の中心から両壁面までの側面方向地点に沿って存在する蛍光粒子の速度を算出して懸濁液条件による非対称形速度分布を求めることが出来た。
従って、本発明はマイクロフルーイディクチャンネル内に流れる懸濁液の速度分布を測定する方法、前記速度分布の測定方法に用いられるマイクロフルーイディクチップ、及び前記マイクロフルーイディクチップの製造方法を提供するためのものである。
本発明はマイクロフルーイディクチャンネル内に流れる懸濁液の速度分布を測定する方法に関するものである。さらに具体的に本発明は、
マイクロフルーイディクチャンネル内を蛍光顕微鏡で撮影して映像データを得る段階(a)；
前記映像データをフィルタリングして光の３原色のうち、任意の二つの色を除去することにより、残りの一つの色から成られる映像データを得る段階(b)；
前記映像データで、前記懸濁液のうち、粒子の軌跡が表われた部分の光の強度をピクセル単位で数値化して行列を作る段階(c)；
前記行列を粒子の進行方向に対して数値微分する段階(d)；
雑音を除去するために、前記数値微分された行列の各元素を平均化する段階(e)；
前記平均化された値のうち、最大値を表すピクセル及び最小値を表すピクセル間の距離を計算する段階(f)；及び
前記距離から前記粒子の速度を測定する段階(g)を含む。
マイクロフルーイディクチャンネル内を蛍光顕微鏡で撮影して映像データを得る段階(a)；
前記映像データをフィルタリングして光の３原色のうち、任意の二つの色を除去することにより、残りの一つの色から成られる映像データを得る段階(b)；
前記映像データで、前記懸濁液のうち、粒子の軌跡が表われた部分の光の強度をピクセル単位で数値化して行列を作る段階(c)；
前記行列を粒子の進行方向に対して数値微分する段階(d)；
雑音を除去するために、前記数値微分された行列の各元素を平均化する段階(e)；
前記平均化された値のうち、最大値を表すピクセル及び最小値を表すピクセル間の距離を計算する段階(f)；及び
前記距離から前記粒子の速度を測定する段階(g)を含む。
また、本発明は前記懸濁液の速度分布の測定方法に用いられるマイクロフルーイディクチップに関するものである。前記マイクロフルーイディクチップは上部基板と下部基板で構成になってあり、前記上部基板には前記懸濁液を注入する流入口；前記懸濁液が流れる通路としてコ字形のマイクロフルーイディクチャンネル；及び前記懸濁液を排出する流出口が形成されている。
前記マイクロフルーイディクチップにおいて、前記マイクロフルーイディクチャンネルの一側の壁面を構成する上部基板の側壁は蛍光顕微鏡で前記マイクロフルーイディクチャンネル内部を撮影するのには支障のない適合な厚さで形成することが好ましい。
また、本発明は前記マイクロフルーイディクチップの製作方法に関するものである。さらに具体的に、本発明によるマイクロフルーイディクチップの制作方法は、
基板上にフォトレジストを積層する段階；
前記フォトレジストが積層された基板をマスクパターンにより紫外線に露光させパターニングする段階；
前記基板を現像してマスター鋳型を製造した後、前記フォトレジストパターンの一側に対して、所定の距離をおいた所で前記フォトレジストパターンの一側と平行に前記基板を切り離して除去する段階；
前記基板を切り離した断面に側壁としてガラスを接合する段階；
前記ガラス側壁の接合されたマスター鋳型上でポリディメチルシルロックサヌを鋳造した後、前記マスター鋳型から分離する段階；及び、
前記ポリディメチルシルロックサヌをガラス基板といっしょに洗浄した後、RIE装備を用いて接合する段階を含む。
基板上にフォトレジストを積層する段階；
前記フォトレジストが積層された基板をマスクパターンにより紫外線に露光させパターニングする段階；
前記基板を現像してマスター鋳型を製造した後、前記フォトレジストパターンの一側に対して、所定の距離をおいた所で前記フォトレジストパターンの一側と平行に前記基板を切り離して除去する段階；
前記基板を切り離した断面に側壁としてガラスを接合する段階；
前記ガラス側壁の接合されたマスター鋳型上でポリディメチルシルロックサヌを鋳造した後、前記マスター鋳型から分離する段階；及び、
前記ポリディメチルシルロックサヌをガラス基板といっしょに洗浄した後、RIE装備を用いて接合する段階を含む。
本発明による速度分布の測定方法によると、過度な数値処理過程を経らずに、マイクロフルーイディクチャンネル内においての速度分布を効果的に、さらに正確に測定することが出来る。前記速度分布の測定方法及びマイクロフルーイディクチップはマイクロフルーイディクチャンネルで溶液の特性による流動制御、各チャンネルでの効率的流量分配、及びマイクロフルーイディクチップの設計に有用に活用することが出来る。
以下では、図面を参照しながら、本発明によりマイクロフルーイディクチャンネル内に流れる懸濁液の速度分布を測定する方法、前記速度分布の測定方法に用いられるマイクロフルーイディクチップ、及び前記マイクロフルーイディクチップの製造方法の実施例を具体的に説明する。しかし、本発明が下記実施例によって限られることではない。
まず、図１を参照して本発明の基本である粒子軌跡流速技法原理を説明する。
チャンネルの深さがＨで、チャンネル幅がＷで、チャンネルの長さがＬであるマイクロフルーイディクチャンネル内を流れる粒子に対して、粒子の軌跡が流体進行方向（即ち、x 方向）に表す最大点の座標Mx 及び 最小点の座標 mxを決定する。ピクセル当り実際距離の比率がγで、粒子の半直径がRpで、カメラ露出時間がtEである場合、粒子速度vxは下記数学式１のように求められる。
このように、マイクロフルーイディクチャンネル内の粒子の軌跡を観察する場合、マイクロフルーイディクチャンネルの上側壁面及び下側壁面による影響を受けない領域（理想的にはＨ/２）での粒子の運動を観察することが好ましい。流体進行方向の最大点Mxの垂直方向の座標がチャンネル内で粒子の位置を表す。
図２は、本発明により粒子軌跡の映像データを処理する過程を図示したものである。
まず、マイクロフルーイディクチャンネル内を蛍光顕微鏡で撮影して映像データを得る。図面のうち、（1）は蛍光顕微鏡により撮影した全ての映像データのうち、何れか一つの粒子に対する軌跡及びそのあたりの余白が表わされている映像データである。このような映像データは大きさにより縦m個及び横n個のピクセル数を有する。
図面のうち、（2）は軌跡映像の光源を光の三原色である赤色（R）,緑色（G）及び青色（B）に分離したものの中で緑色の強度を示したグラフである。一般にコンピューターでの映像は赤色、緑色及び青色の強度を混合して任意の色を示し、映像データもそれぞれのピクセルに対して赤色、緑色及び青色の強度に対するデータを分離して貯蔵する。従って、各ピクセル毎に赤色、緑色及び青色の強度に対するデータを分離して得ることが出来る。この際、赤色、緑色及び青色の強度を縦m及び横n個のピクセルに対してn×mの行列で表すことが出来る。
（2）の左側及び右側に図示したグラフはそれぞれ前記（1）の映像データを赤色及び青色に分離してその強度を表したものである。赤色は背景色であるので、粒子の軌跡長さを計算するのことには用いられない。青色は蛍光フィルターにより全て遮蔽されるので、光の強度が全て零(zero)で表されることになる。
従って、本発明で粒子の速度分布を測定するのに用いられるデータは緑色から成る（2）の映像データである。前記（2）の緑色の強度に対するデータをピクセル別に表したn×m 行列をGで表し、各ピクセルの緑色の強度をgijで表すと、粒子の軌跡が始まる部分は緑色の強度が増加し、軌跡の終る部分では緑色の強度が減少することが分かる。
したがって、前記G行列を粒子の進行方向に対して微分する場合、光の強度が増加する地点で最大値を表し、光の強度が減少する部分で最小値を表すことである。
粒子の進行方向xをG行列の行の方向と仮定する場合、何れか一つの要素gijから gij-1を引いた値、即ち、gij-gij-1 値の行の方向に対する gijの数値微分値である。この際、前記 i 及びjは各要素のインデックスを表す。
数値微分を全体行列 Gに対して行うために、それぞれの要素から左側要素を引く計算を行う行列、即ち、任意の列ベクトルに対してその列の左列ベクトルを引く演算子を Xと定義すると、これを用いて Gの数値微分値を下記数学式２で計算することが出来る。
前記図2のうち、（3）は前記G'xのグラフである。左側は3次元で図示したものであり、右側は側面から眺めた値を2次元で図示したものである。
前記数値微分値には局部的に微小位置で雑音が存在することが出来、この雑音が粒子の軌跡を計算することにおいて、誤った情報を提供することがある。従って、局部的に平均値を取り、微小地点の雑音を抑制する。
G'xの任意の元素g'ijの(i,j)点を中心にその周辺の値を含む行列を G'L(ij)で表すと、前記G'L(ij)は下記数学式３のように定義される。
前記のように、g'ij 周辺の値に対する平均値の算出により、雑音が最小化された新しい g'N(ij)を得る。また、前記(i,j) 地点の平均値 g'N(ij)は下記数学式４のように表現できる。
全体G'xの要素に対して前記過程を行うと、 g'N(ij)から成る G'N(ij)は G'xに比べて地域雑音が減衰された値を有する。前記図2のうち（4）は、このような局部的平均化過程を経た値を表したものである。
前記平均化過程は微小地点の雑音である光の強度がこの周辺地域の光の強度に比べてその大きさが相対的に大きいので、微小地点の雑音と周辺地域の平均を出すと、全体的に光の強度が大きい軌跡による部分よりその大きさが相対的に小さくなる。このような原理を用いて微小地域の雑音を減衰処理する結果として（4）のような形態のグラフを得る。蛍光光源（4）で最大点は粒子の軌跡が始まる地点で、最小点は軌跡が終る地点である。これらから粒子軌跡の長さを計算し、粒子軌跡の速度も計算する。
このような過程を前記マイクロフルーイディクチャンネル内を蛍光顕微鏡で撮影し得た映像データ内に表われた全ての粒子に対して繰り返すことにより、1次元平面に表われた粒子の速度分布を求めることが出来る。
以下では、前記速度分布の測定方法に用いられるマイクロフルーイディクチップ及びその製作過程に対して説明する。
図3は、マイクロフルーイディクチャンネルを製作することにおけ、必要な光マスクの設計図である。左側及び右側の円弧部分がそれぞれの流体の流入口及び流出口である。マイクロフルーイディクチャンネルはコ字形で設計した。これは前記マイクロフルーイディクチャンネルの一側壁面の厚さを出来るだけ小さく形成し、蛍光顕微鏡の焦点距離が前記マイクロフルーイディクチャンネルの内部の適合な位置、即ち、マイクロフルーイディクチャンネルの上側壁面及び下側壁面による影響を受けない領域（理想的にはH/2）に来るようにしたものである。
本実施例ではマイクロフルーイディクチャンネルの長さを3cmで設定した。これはチャンネルが流入口から”L”形相で折れた後に、チャンネル内の流体が完全発達(fully-developed)流れを維持するのに十分な長さである。一方、チャンネル幅は100μｍで設定し、チャンネル深さは1000μｍで設定した。
図4(a)ないし図4(g)は本発明によるマイクロフルーイディクチップを制作する工程断面図である。
まず、スピンコーティング(spin coating)器を用いて1150rpmの速度でスピンプロセスによりSU8 (200)をウェーファー(100)上に約100μｍの高さでコティングする（図4(a)）。
以後、前記ウェーファー(100)上にコティングされたフォトレジスト (200)を65℃で 10分間及び95℃で 30分間プリベーク(pre-bake)し、フォトレジストの溶媒を蒸発し、粘度を高める。次に、前記図3に図示されたようなパターンの光マスクを用いて、望ましい部分のフォトレジストの高分子がクロスリンク（架橋）されるようにUV光に露出させる。露光された部分は熱により持続的に架橋が起こることになるので、65℃で 1分間 95℃で10分間加熱して露光された部分を硬化させる。現象(developer)溶液を用いて露光されない部分を除去することにより、基本鋳型が作られる（図4(b)）。
以後、流入口及び流出口に該当される部分に予備チュービング（300）を弱く接着させ立てる(図4(c))。
以後、マイクロフルーイディクチャンネルを形成する部分である前記フォトレジストパターン(200)の一側に対して所定の距離（例えば、0.5mm ないし 2mm。好ましくは1mm）をおいた所で前記フォトレジストパターン(200)の一側と平行になるように、前記ウェーファー(100)を切断し、その切断面に表面が滑らかな物体、例えば、ガラス側壁（400）を垂直に立てる(図4(d))。図4(e)は前記製造された鋳型を上部から眺めた平面図である。前記図4(d)は前記図4(e)のA-A'ラインを切り取って眺めた断面である。
以後、液相のPDMS(500)(Dow Corning Sylgard-184, MI)を硬化剤と攪拌し、前記鋳型に注いだ後、80℃で2時間加熱し硬化させた(図4(f))。
以後、前記硬化されたPDMSを鋳型から切り離して適切な長さで切断した後、反応性イオンエッチング(reactive ion etching, RIE)(Plasmatherm 760, USA)を用いてガラス基板（600）(Marienfeld micro slides, Germany)と接合する(図4(g))。前記工程は電荷を帯びた酸素イオンをPDMSとガラス基板に加えることにより、各材質の表面を不安定に作った後、不安定な面を互いにくっつける工程である。この際、不安定な表面が安定化されるために互いに接合することになる。
以後、図5に図示されているように、流入口（350）及び流出口（360）にエポキシ接着剤でチューブを接着し、シリコン専用瞬間接着剤であるSILY(韓国アルテコ)を用いて堅く接着させる。図5は、このように完成されたマイクロフルーイディクチップの斜視図である。本発明においで、前記PDMS以外の異なる透光性プラスチック材質を使用することも可能である。
前記製作されたマイクロフルーイディクチップを用いて、前記速度分布の測定方法を行うことが出来る。図6は、本発明によるマイクロフルーイディクチップを用いて速度分布を測定する実験の構成図である。
注射器ポンプ(syringe pump)（6）(Cole-Parmer 7600 Series, IL)を用いて2μｍ 直径の蛍光ラテックス粒子(Sigma L-5280, MO)が分散された懸濁液を所定の圧力で（圧力ゲージ（8）によって確認できる）前期製造したマイクロフルーイディクチップ（1）の流入口を通してマイクロフルーイディクチャンネルに注入させる。
蛍光光源（4）(Carl Zeiss M2 FL S, Germany)で発生された蛍光は、蛍光フィルター（5）(Carl Zeiss FITC fluorescent filter, Germany)を通して蛍光ラテックス粒子を観察するのに適合した波長帯の光でフィルタリングされる。これにより、蛍光ラッテクス粒子が固有の波長の光を発することになる。これを蛍光顕微鏡(Carl Zeiss SV-11, Germany)の2.5倍率の対物レンズ（2）により拡大し、もう一度ディジタルCCDカメラ（3）(Carl Zeiss AxioCam HR, Germany)で拡大して撮影する。前記ディジタルカメラ（3）は蛍光粒子が流れる映像をPC（10）へ転送する。一方、前記マイクロフルーイディクチャンネルの流出口を通して排出される懸濁液の重さを電子秤（9）で測定することにより、前記懸濁液の平均流速を計算することが出来る。
図7は、前記製造したマイクロフルーイディクチップのマイクロフルーイディクチャンネル側面で蛍光光源を照射する様子を撮影した写真である。
図8は、前記マイクロフルーイディクチャンネルに蛍光粒子が0.48ppmである極めて淡い濃度で分散された懸濁液がレイノルズ(Reynolds)数が0.1の55nl/sの流量で流れる場合、カメラ露出時間 200ms の間撮影し得たディジタル映像である。前記ディジタル映像には粒子が移動した軌跡が表されている。このように得えられたディジタル映像に対して前述したように数値処理して各粒子の速度分布を求めることが出来る。
本発明では、粒子の大きさがチャンネル幅に比べて小さいほどその速度分布をさらに正確に測定することが出来る。具体的には、粒子の半直径をRp とし、チャンネル幅をWと仮定する場合、２Rp/Ｗ≦0.1である場合にさらに正確に速度分布を測定することが出来る。また、本発明による速度分布の測定方法は、淡い懸濁液に対して適用する場合、さらに正確な速度分布を得ることが出来る。
図9(a)ないし図9(d)は本発明による速度分布の測定方法を用いて、その速度分布を測定した実験結果を図示したものである。
図9(a)はKCl 1.0mM, pH 5の溶液に対して実験したものであり、図9(b)はKCl 1.0mM, pH 10の溶液に対して実験したものであり、図9(c)はKCl 0.1mM, pH 7の溶液に対して実験したものであり、図9(d)はKCl 10mM, pH 7の溶液に対して実験したものである。
各溶液の電解質としてはKClを使用し、pHはHCl 及び NaOHで調節した。前記図9(a)ないし図9(d)で横軸（チャンネル幅）の原点はガラス壁面との境界面で、100μｍ位置はPDMS 壁面との境界面である。親水性のガラス壁面では粒子速度が零に収束する結果を表すのに比べ、疎水性のPDMS 壁面では粒子速度が零でない有限な値の滑り速度(slip velocity)を有することを確認することが出来る。
１：マイクロフルーイディクチップ
２：蛍光顕微鏡対物レンズ
３：ディジタルCCDカメラ
４：蛍光光源
５：光学フィルター
６：注射器ポンプ
８：圧力ゲージ
９：電子秤
10：コンピューター
100：ウェーファー
200：フォトレジスター
300：予備チュービング
350：流入口
360：流出口
400：側壁
500：上部基板
600：下部基板
２：蛍光顕微鏡対物レンズ
３：ディジタルCCDカメラ
４：蛍光光源
５：光学フィルター
６：注射器ポンプ
８：圧力ゲージ
９：電子秤
10：コンピューター
100：ウェーファー
200：フォトレジスター
300：予備チュービング
350：流入口
360：流出口
400：側壁
500：上部基板
600：下部基板
Claims (11)
- マイクロフルーイディクチャンネル(microfluidic channel)内に流れる懸濁液の速度分布を測定する方法として
マイクロフルーイディクチャンネル内を蛍光顕微鏡で撮影し、その映像データを得る段階(a)；
前記映像データをフィルタリングして光の三原色のうち、任意の二つの色を除去することで、残った一つの色からなる映像データを得る段階(b)；
前記映像データで、前記懸濁液のうち、粒子の軌跡が表われた部分の光の強度をピクセル(pixel)単位で数値化し、行列(matrix)を作る段階(c)；
前記行列を粒子の進行方向に対して数値微分する段階(d)；
雑音を除去するため、前記数値微分された行列の各元素を平均化する段階(e)；
前記平均化された値のうち、最大値を表すピクセル及び最小値を表すピクセルの間の距離を計算する段階(f)；及び
前記距離から前記粒子の速度を測定する段階(g)、
以上の段階を含む特徴のある速度分布の測定方法。 - 前記段階(a)において、蛍光顕微鏡の焦点を前記マイクロフルーイディクチャンネル(microfluidic channel)の深さの中間位置になるように設定し、撮影することを特徴とする第1項に記載の方法。
- 前記段階(b)は映像データをフィルタリング(filtering)して光の三原色のうち、赤色及び青色を除去し、緑色から成る映像データを得る段階であることを特徴とする第1項に記載の方法。
- 前記段階(c)において、ピクセル単位で光の強度が数値化される部分は前記映像データのうち、一つの粒子軌跡及びそのあたりを含むことを特徴とする第1項に記載の方法。
- 前記段階(e)において、前記数値微分された行列の各元素は局部的に平均化されることを特徴とする第1項に記載の方法。
- 各元素を局部的に平均化した値は前記元素及びその周辺の元素の値を算術平均した値であることを特徴とする第５項に記載の方法。
- 前記映像データに表されたそれぞれの粒子の軌跡に対して前記段階(c)ないし段階(g)を繰り返すことを特徴とする第1項に記載の方法。
- 請求項1の懸濁液の速度分布の測定方法に用いられるマイクロフルーイディクチャンネルが形成されたマイクロフルーイディクチップは、
上部基板及び下部基板の構成になり、
前記上部基板には前記懸濁液を注入する流入口；前記懸濁液が流れる通路としてコ字形であるマイクロフルーイディクチャンネル；及び前記懸濁液を排出する流出口が形成されており、
前記マイクロフルーイディクチャンネルの一側の壁を構成する上部基板の側壁の厚さは、前記マイクロフルーイディクチャンネル内部を蛍光顕微鏡で撮影することに適合である特徴のマイクロフルーイディクチップ。 - 前記上部基板の材質はポリディメチルシルロックサヌ(polydimethylsiloxane: PDMS)で、前記下部基板の材質はガラスであることを特徴とする第8項に記載のマイクロプルイディクチップ。
- 前記マイクロフルーイディクチャンネルの一側の壁面を構成するポリディメチルシルロックサヌ材質の側壁の厚さは0.5mmないし2mmであることを特徴とする第９項に記載のマイクロプルイディクチップ。
- 第9項によるマイクロフルーイディクチップの製作方法として、
基板上にフォトレジスト(photoresist)を積層する段階；
前記フォトレジストが積層された基板をマスクパターン(mask pattern)で紫外線に露光させ、パターニング(patterning)する段階；
前記基板を現像してマスター鋳型を製造した後、前記フォトレジストパターンの一側に対して所定の距離をおいた所で前記フォトレジストパターンの一側と平行に前記基板を切り離して除去する段階；
前記基板を切り離した断面に側壁としてガラスを接合する段階；
前記ガラス側壁の接合されたマスター鋳型上でポリディメチルシルロックサヌを鋳造した後、前記マスター鋳型から分離する段階；及び、
前記ポリディメチルシルロックサヌをガラス基板といっしょに洗浄した後、反応性イオンエッチング(reactive ion etching, RIE)装備を用いて接合する段階を含むことを特徴とする製作方法。
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