JP2008170405A - 交流電気泳動法による微細流体の混合・移送装置及び微細流体の混合・移送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、微細流体(microfluids)を移送しながら混合する、或は微細流体と生物分子(bio-molecule)を移送しながら同時に混合する装置及び方法を提供する。
【解決手段】第１電極及び前記第１電極より広い幅の第２電極が並列して配置された電極対が、流体移送路の少なくとも１個所以上の内部面に配設される微細流体の混合・移送装置及び前記電極対に交流電圧を印加して微細流体を混合と同時に移送する。本発明によると、相対的に狭い電極と広い電極で構成された１対の電極に交流電圧を印加し、電気泳動法によって、複雑な流動特性を生成し、小型医療機器又は、小型流体機器などの分野で微細流体を効率的に混合すると同時に移送することができる微細流体の移送・混合装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電気泳動法による微細流体の混合・移送装置及び微細流体の混合・移送方法に関し、より具体的には、第１電極及び前記第１電極より幅の広い第２電極が並列で配置された電極対が、流体移送路の少なくとも１個所以上の内部面に配設される微細流体の混合・移送装置と、前記電極対に交流電圧を印加して微細流体を混合・移送する方法に関する。

疾病の診断と治療用の小型医療機器であるラボチップ(lab-on-a-chip)分野においては、微細な流体の混合又は移送が重要な問題である。

即ち、一般的に、微細流体でなっている極少量の試薬など、或は前記試薬はＤＮＡ、ＲＮＡ、赤血球など生物分子(bio molecules)と混合しなければならず、その混合された試料は疾病診断のために次の段階に移送されねばならないからである。

ラボチップに使用される流体の移送装置は、主に流体チャネルである。

しかし、ラボチップに使用される流体チャネルは、その断面積が一般的に数百μｍ以下と非常に微細であるため、相対的に大きい粘性力を有する流体などの混合又は移送が容易でない。

従って、微細な流体チャネルにおいて流体を混合するために多様な方法が考案されてきた。

従来技術の中、代表的なものは、Ｓｔｒｏｏｋなどによって発表されているように、チャネルの形状に変化を加えることによって、チャネルの内部で流体、或は、流体と生物分子を混合させる方法がある(例えば、非特許文献１参照。）。

つまり、微細流体のチャネルのボトム部にヘリンボーン(herringbone)形状の溝を形成して流体を混合する技術である。

しかし、この方法は、複雑なチャネルを形成しなければならない問題がある。

一方、少量の微細流体を移送する多様な技術が研究されてきたが、小型ポンプを利用する研究が中心になっている。つまり、これは機械的な方法を利用して流体に圧力を加えることによって流体を移送する方法である。

しかし、この方法は、流体に圧力を加える別体の機械が必要であるため、小型流体装置或はラボチップをさらに複雑化し、かつ小型化にすることが難しい問題などを誘発せざるを得ない。

微細流体を移送する他の方法は、電気的方法で電気泳動(electroosmosis)現像を利用する方法がある。

この電気泳動を利用する方法も直流電圧を印加する方法と交流電圧を印加する方法に分けることができる。

しかし、直流印加の電気泳動法による微細流体移送の場合は、数キロボルト（ｋＶ）の電圧の印加を必要とするので、このような高い電圧の使用は、小型流体装置の商品化が難しく、装置の安定性に悪影響を及ぼすだけでなく、さらには対象流体や生物分子の特性を変化させる致命的な問題もある。

一方、交流印加の電気泳動法による微細流体移送の場合は、数ボルト（Ｖ）程の電圧を印加するだけで流体の移送が可能であるため、この方法が脚光を浴びている(例えば、非特許文献２参照。）。

上述のように、従来の微少量微細流体を混合する混合技術分野と微細流体を移送する移送技術分野の研究が各々個別的に遂行されてきた。

従って、現在まで小型の微細流体の混合と移送装置を含むラボチップ分野においては微細流体の混合器と機械的ポンプが別々に存在している。

A. D. Stroock, S. K. W. Dertinger, A. Ajdari I. Mezic, H. A. Stone, G. M. Whitesides,"Chaotic mixer for microchannels," Science, Vol. 295, pp. 647, 2002. A. B. D. Brown, C. G. Smith and A. R. Rennie,"Pumping of water with ac electric fields applied to asymmetric pairs of microelectrodes," Physical Review E, Vol. 63, 016305, 2002.

本発明の目的は、少量の微細流体が移送されながら同時にその流体が混合されるか、或は流体と生物分子（ＤＮＡ、ＲＮＡ、赤血球など）とが混合されることのできる複合機能を有する微細流体の混合・移送装置を提供することにある。

また、本発明は、微細流体の混合及び移送機能を一元化することにより、ラボチップ分野において小型化及び高集積化された装置を提供し、その装置を簡単に作製する方法を提供する。

前記目的を達成するために、本発明の微細流体の混合・移送装置は、第１電極及び前記第１電極より広い幅の第２電極が並列で配置された電極対が、流体移送路の少なくとも１個所以上の内部面に配設されることが好ましい。

前記流体移送路は、パイプ（管）の形態でなるが、前記パイプの断面形態は別に限定されない。

前記流体移送路は、微細流体チャネル（Microfludic channel）である。

前記流体移送路の材質は、絶縁性のガラス又は高分子化合物であることが好ましい。

本発明の微細流体の混合・移送装置は、前記流体移送路を包含する装置或は流体移送路自体によって構成された装置である。

前記電極対は、直線又は曲線のストリップ形状にするが、少なくとも１個所以上の折曲部を設けることができる。

本発明において、前記電極対は交流電源により電圧が印加されることを特徴とする。

本発明において、前記流体移送路の断面は、円形、三角形、四角形、五角形、又は、六角形などの形態を有し、全体流体移送路は、直線又は曲線いずれの形態にしても良い。

前記流体移送路の断面積は、略数百μｍ以下のレベルにすることが好ましい。

本発明において、前記電極の形成物質は伝導性金属を使用することができる。特に、金、銀、チタン、白金、銅、又は、これらの混合物質であることが好ましいが、必ずしもこれに限定されなく、本発明の当業者が電気泳動法に使用することができる公知の伝導物質であればいずれも使用可能である。

前記各電極の幅は、数十μｍのレベルであり、特に１乃至９０μｍが好ましい。ただ、第１電極の幅は、第２電極の幅より相対的に狭いことを要する。

本発明において、前記電極対は、流体移送路の長手方向又は幅方向に少なくとも１個所以上配設されることを特徴とする。

本発明の前記微細流体の混合・移送装置による微細流体の混合・移送方法は、第１電極及び前記第１電極より広い幅の第２電極が並列で配置された電極対が、流体移送路の少なくとも１個所以上の内部面に配設され、交流電圧を印加することにより流体が混合と移送を同時に行う方法であることを特徴とする。

上述のように、本発明によれば、少量の微細流体を移送すると同時に混合を行うことによって、微細流体システム(Microfluidic system)を作製する上で必要とする流体の移送と混合装置の部品数を削減することによって全体システムを単純化させることができ、誤作動の可能性も減少させることができる。

また、微細流体の混合及び移送を同時に遂行することができるラボチップを提供することにより微細流体の移送・混合装置をより小型化かつ高集積化する効果をもたらす。

ラボチップにおける流体の移送及び混合を、全て電気を利用することによって、既存の電子装置やシステムに適用して活用することができるというメリットがある。

さらに、駆動電圧が低いので、他の電子泳動方式の流体移送装置と比べて格段の安全性と電力消費量が少なくなるため経済的にも有用である。

以下、本発明の好ましい実施例を添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

別添各図面の構成要素に付与する参照符号は、同一の構成要素に対しては、他の図面上に表示する場合でも、同一符号で表すようにした。

また、本発明の要旨を不明確にすると判断される公知機能及び構成に対する詳細な説明は省略する。

本発明の１実施例を表す図１によれば、微細流体を混合するために流体移送路、特に、流体チャネルの内部面に非対称の電極を配設するとき、その配置形態をヘリンボーン形状、又は、対角線(diagonal)形状を有するようにしている。つまり、電極の配置形態において、流体チャネルの進行方向に一定の角度を成しながら折曲する形態に電極を配設している。

図１は、本発明の１実施例による微細流体の混合・移送装置が配置されたチャネルの内部を透視した斜視図である。即ち、第１電極１０１と第２電極１０２が１対を成す電極対(electrode pair)１０３が同一面に複数個配設された微細流体チャネル１００が内部を透視するように図示されている。

前記電極対１０３は、一定間隔を置いて規則的、又は、不規則的に少なくとも１対以上配置することができ、微細流体チャネル１００の内部のいずれかの面に１対以上配置されることができる。

図１のように、数個の電極対１０３が配置されるとき、電極対の配置形態がそれぞれ異なるとともに、１個の電極対１０３の例えば第１電極１０１と第２電極１０２との間の間隔も電極対毎に異なる。

図２は、前記図１のcross-section1を基準にして、本発明による微細流体の混合・移送チャネルの横断面を図示している。

図２を参照するとき、最上部と底部は、ガラスのような絶縁性物質でなる微細流体移送路の断面部として図示しており、内部は流体(liquid)が流れるチャネルである。

図２によると、微細流体移送路のボトム部に電極が配設されているが、第１電極２０１と第２電極２０２が１つの電極対２０３を形成して並列で配設されている。

ここで、前記第１電極２０１の幅をＷ１、第２電極２０２の幅をＷ２とするとき、Ｗ１はＷ２より幅が狭い。

又、第１電極２０１と第２電極２０２は、並列で配置されているが、所定の間隔Ｇ１を置いて配置され、電気的に遮断される。

また、電極対２０３が複数個配置されるとき、各電極対２０３の間には、所定の間隔Ｇ２によって各電極対２０３同士も電気的に絶縁されるようにする。

図２を参照するとき、複数個の電極対は、交流電源により電気的に接続されて、電圧が印加される。つまり、複数個の電極対の中、第１電極２０１・・・は交流電源の１つの端子に接続され、第２電極２０２…は前記交流電源の残る１つの端子に接続される。

このような状態で、交流電圧が印加されると、電極の上を流れる流体は電気的に極性を帯することにより、その流体は電界からの力を受けて流動するようになる。

交流電源の電圧は、数ボルト単位の比較的低い電圧を印加する。

電圧の印加によって流体が電界から力を受ける部分は、電極の直上にある流体部分であり、反応力の方向を図３に図示する。

つまり、図３に図示されたように、幅の狭い第１電極３０１から幅の広い第２電極３０２の方向へ、即ち、電極が並んで配置された長手方向との垂直成分方向に流体が力を受けて移動するようになる。

図３によると、電極対３０３の配置形態によって直線状のストリップを形成しながら、中間部に１つの折曲部を形成することになるため、矢印方向に流体が力を受けて移送されると共に混合されることになる。

従って、微細流体の移送と同時に混合機能を一元化するためには、電極対の配置構造において、少なくとも１つ以上の折曲部を形成することが好ましい。

図４乃至図７は、全て電極対が配置された微細流体の混合・移送装置の上面図である。

図４は、１つの電極対４０３の配置状態の拡大図である。上述と同様に、第１電極４０１の幅が第２電極４０２の幅より相対的に狭く、流体移送路の１方の壁面と電極対とが成す角度αと、流体移送路の他方の壁面と電極対とが成す角度βは異なる。つまり、微細流体の混合と移送を同時に遂行するための制限条件として、α≠０゜、α≠９０゜及びα≠１８０゜であり、β≠０゜、β≠９０゜及びβ≠１８０゜が要求される。

更に、流体移送路の一方の壁面から、電極対が形成する折曲部のいずれか１点に至る距離をｐ１とし、流体移送路の他方の壁面から電極対が形成する折曲部のいずれか１点に至る距離をｐ２とするときｐ１とｐ２は互いに同一、或は相違する。

ここで、例えば、１つ以上の電極対を配置する場合、図２で示したように電極の幅であるＷ１及びＷ２がそれぞれ異なる電極対を配置するとき、前記α及びβの角度がそれぞれ異なる電極対が配置されることになり、前記ｐ１及びｐ２が任意の値を有する互いに異なる電極対が配置されることができる。

また、各電極対の配置形態は規則的であることも、又は、不規則的であることも可能であるが、不規則的な電極対の配置によって、微細流体は混合と移送をより一層複合的に流動させることができる。

さらに、前記のように各電極対毎のＷ１及びＷ２、α及びβ、ｐ１及びｐ２をそれぞれ異なるようにすることによって、流体の混合性能を格段に向上させることができる。

図５〜７は、２つ以上の電極対が配置された微細流体の混合・移送装置において、電極対が配置された面を上から見た上面図である。勿論、本発明は、このような形態に限定するものではない。

微細流体チャネルの全体的な形態は、主に直線が好ましいが、図５のようにチャネルの内部壁面が波形の曲線形態にすることもできる。

また、図６のように、多様な形状で電極対６０３が流体移送路の幅方向または長手方向とに多様に配置することができる。

図７は、電極対７０３が形成するストリップが折曲部のない直線型であって、対角線状に配置した例を示している。

このような対角線状においても、微細流体の移送と混合を同時に行うことは可能であるが、前記のように、直線又は曲線のストリップ状にして少なくとも１個所以上の部位に折曲部を有する形態、又はこのような電極対の多様な配置形態による流体移送路に比べて移送と混合機能と効果が低くなることもある。

本発明の１実施例による微細流体の混合・移送装置が配置されたチャネルの内部を透視した斜視図である。 前記図１のcross-section 1を基準にして、本発明の微細流体の混合・移送装置が配設された微細流体の混合・移送チャネルの横断面図である。 本発明による電極対を２つ以上具備した微細流体の混合・移送装置を配設した場合の流体の流れを図式化した上面図である。 本発明による電極対を１つ配置した場合の微細流体の混合・移送装置の配置状態の拡大図である。 本発明による電極対を２つ以上具備し、流体移送路が波形の曲線でなる場合の微細流体の混合・移送装置の配設状態の上面図である。 本発明の１実施例による電極対の配置状態を示した微細流体チャネルの１例を示している。 本発明の１実施例による電極対の配置状態を示した微細流体チャネルの１例を示している。

符号の説明

１００：微細流体移送路
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１、７０１：第１電極
１０２、２０２、３０２、４０２、５０２、６０２、７０２：第２電極
１０３、２０３、３０３、４０３、５０３、６０３、７０３：電極対

Claims (13)

1. 第１電極及び前記第１電極より広い幅の第２電極が並列で配置された電極対が、流体移送路の少なくとも１個所以上の内部面に配設された微細流体の混合・移送装置。
2. 前記電極対は、直線又は曲線のストリップ形状にすることを特徴とする請求項１に記載の微細流体の混合・移送装置。
3. 前記電極対は、少なくとも１個所以上の折曲部を有することを特徴とする請求項２に記載の微細流体の混合・移送装置。
4. 前記電極対は、交流電源により電圧が印加されることを特徴とする請求項１に記載の微細流体の混合・移送装置。
5. 前記流体移送路の断面は、円形、三角形、四角形、五角形、又は六角形の中で選択されるいずれかの形態であることを特徴とする請求項１に記載の微細流体の混合・移送装置。
6. 前記流体移送路は、直線又は曲線状の形態であることを特徴とする請求項１に記載の微細流体の混合・移送装置。
7. 前記電極は、伝導性金属であることを特徴とする請求項１に記載の微細流体の混合・移送装置。
8. 前記第１電極及び第２電極の幅は１乃至９０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の微細流体の混合・移送装置。
9. 前記電極対は、流体移送路の長手方向又は幅方向に少なくとも１つ以上配設されることを特徴とする請求項１に記載の微細流体の混合・移送装置。
10. 第１電極及び前記第１電極より広い幅の第２電極が並列で配置された電極対が、流体移送路の少なくとも１個所以上の内部面に配設され、交流電圧の印加によって微細流体が混合と移送を同時に行う微細流体の混合・移送方法。
11. 前記電極対は、少なくとも１個所以上の折曲部を包含する直線又は曲線のストリップ形状であることを特徴とする請求項１０に記載の微細流体の混合・移送方法。
12. 前記第１電極及び第２電極の幅は、１乃至９０μｍであることを特徴とする請求項１０に記載の微細流体の混合・移送方法。
13. 前記電極対は、流体移送路の長手方向又は幅方向に少なくとも１つ以上配設されることを特徴とする請求項１０に記載の微細流体の混合・移送方法。

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