JP2009281794A - 気泡または液滴の非接触処理方法および非接触処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、微小流路の壁面に付着した気泡や液滴を非接触で前記壁面から離脱させたり、微小流路の内部において気泡や液滴を所定の方向に移動させたりすることのできる気泡または液滴の非接触処理方法および非接触処理装置の提供。
【解決手段】液体が内部を流通する流路１０の内部に存在する気泡または液滴に、前記液体に吸収されるレーザ光を照射して前記気泡または液滴を前記流路の壁面から離脱させる気泡または液滴の非接触処理方法。
【選択図】図３

Description

本発明は、気泡または液滴の非接触処理方法および非接触処理装置にかかり、特に、マイクロ流体デバイスなどの微小流路の壁面に付着した気泡や液滴を非接触で前記壁面から離脱させ、および／または微小流路の内部において気泡や液滴を所定の方向に移動させることのできる気泡または液滴の非接触処理方法および非接触処理装置に関する。

近年、幅が１ｍｍ程度またはそれ以下の微小な流路からなるマイクロ流体デバイスの発展が著しく、例えば、化学やバイオテクノロジーの分野では、μ−ＴＡＳ（total analysis system）やLab-on-a-chipなどに代表されるマイクロ流体デバイスを用いることにより、これまでマイクロスケースで行われていた試料の採取、混合、分析、分離などの操作がチップ上で可能になりつつある。

ここで、送液時に液体に混入したり、マイクロ流体デバイスの内部において、温度上昇や圧力低下、化学反応などによって発生したりした気泡が一旦流路の壁面に付着すると、抵抗の増大や目詰まりを起してマイクロ流体デバイスの機能を大きく損なうのみならず、マイクロ流体デバイスの使用そのものが不可能になる場合が多い。

しかしながら、マイクロ流体デバイスは前述のように寸法を小型化しているために、内部を流通する液体の表面張力と液体の壁面に対する濡れ性とが支配的になる。それ故、流路内部に生じた気泡の除去は極めて困難である。

マイクロ流体デバイスの流路内部の気泡に対する対策として、化学装飾や微細加工技術を用いてナノピラーなどの構造体を流路の壁面に形成することにより、気泡を付着させにくくする方法が一般的に行われている。

しかしながら、前記方法においては、マイクロ流体デバイスの流路に複雑な機械的、科学的処理を施す必要があるため、マイクロ流体デバイスの製造プロセスが複雑になる。また、ナノピラーなどの構造体を形成することにより、壁面への気泡の付着を未然に防ぐことはできるが、一旦壁面に付着した気泡を除去することは殆ど不可能である。

マイクロ流体デバイスの壁面に付着した気泡を除去する方法として、電磁力を用いる方法、超音波を用いる方法、温度勾配を用いる方法、マイクロ流体デバイスの流路の形状変化を利用する方法などが考えられている。

たとえば電磁力を利用する方法としては、マイクロチップにおいて、流体通路と流体槽とを形成しているチップ本体の流体槽の入口側に電極を設け、前記流体流路を流れる流体に不均一な電場を形成する方法がある（特許文献１）。

温度勾配を利用する方法としては、流路の壁面に電極を列状に配置し、前記電極に順次電圧を印加して流体を加熱することにより、流路内部の気泡を移動させる方法（特許文献２）、および流路内にレーザ光を照射して流路内の液体を加熱し、気泡を発生させ、発生した気泡の動きを制御する方法（特許文献３）がある。

マイクロ流体デバイスの流路の形状変化を利用する方法としては、マイクロ流路の壁を変位させて一時的に流路を拡大することにより、気泡を除去する方法がある（特許文献４）。

マイクロ流体デバイスの壁面に付着した気泡を除去する方法としては、更に、微小液滴または微小気泡をレーザ光の焦点位置または走査中心で捕捉し、その焦点位置または走査中心を移動させることにより、前記微小液滴または微小気泡を微小容器内に誘導する所謂光ピンセット技術を応用した気泡誘導法（特許文献５）がある。
特開２００７−０９０１３５号公報 特開２００５−０８８５９２号公報 特開２００６−０９０８７０号公報 特開２００７−２４５０３８号公報 特開２００３−１０６９５０号公報

しかしながら、電磁力を利用する方法は、動作が気泡または液滴の捕捉に限定され、気泡や液滴の搬送はできないという問題がある。また、マイクロ流体デバイスの内部を流れる流体の導電率や誘電率に制限がある上、気泡や液滴の移動パターンが予め形成された電極パターンによって限定されてしまうため、マイクロ流体デバイスを用いて細胞の呼吸や代謝を調べる場合や、流体の注入時などに電場効果が有効でない領域で気泡が発生した場合には対応できないという問題がある。更に、マイクロ流体デバイスに電極を組み込む必要があるから、マイクロ流体デバイスの構成が複雑化するという問題もある。

温度勾配を利用する方法のうち、マイクロ流体デバイスの壁面に設置した電極によって液体を加熱する方法においては、マイクロ流体デバイスの構成が複雑化するという問題がある。また、電極が設置されていない壁面に付着した気泡については対応できないという問題もある。

マイクロ流体デバイスの流路の形状変化を利用する方法は、流路の壁を変位させる機構をマイクロ流体デバイスに組み込む必要があるため、マイクロ流体デバイスの構成が複雑化するという問題がある。

光ピンセット技術を応用した気泡誘導法においては、気泡を誘導するために高出力のレーザ光を照射する必要があり、また、レーザ光を気泡または液滴上に収束させるために焦点距離の短い対物レンズを使用しなければならない故に、使用上の制約が多いという問題がある。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたもので、マイクロ流体デバイスなどの微小流路の壁面に付着した気泡や液滴を非接触で前記壁面から離脱させ、および／または微小流路の内部において気泡や液滴を所定の方向に移動させることのできる気泡または液滴の非接触処理方法および非接触処理装置の提供を目的とする。

請求項１に記載の発明は、液体が内部を流通する流路の内部に存在する気泡または液滴に、前記液体に吸収される光である加熱光を照射して前記気泡または液滴を前記流路の壁面から離脱させ、および／または前記加熱光を所定方向に走査することにより、前記気泡または液滴を前記流路内において前記走査方向に沿って移動させる気泡または液滴の非接触処理方法に関する。

前記非接触処理方法においては、気泡または液滴に加熱光を照射することにより、前記流路内部の流体における前記気泡または液滴の奥側の部分が加熱される。

これにより、前記流体における前記気泡または液滴よりも流路内側の部分に高温部が生じるとともに、前記気泡または液滴よりも流路壁面側に低温部が生じる。そして高温部から低温部に向かう方向のマランゴニ対流が前記気泡または液滴の表面に沿って発生し、流体が気泡または液滴と流路の壁面との間に入り込むことにより、前記気泡または液滴は流路の壁面から引き離される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の気泡または液滴の非接触処理方法において、液体が内部を流通する流路の内部に存在する気泡または液滴に、前記液体に吸収される光である加熱光を照射するとともに、前記加熱光を所定方向に走査することにより、前記気泡または液滴を前記流路内において前記走査方向に沿って移動させる気泡または液滴の非接触処理方法に関する。

前記非接触処理方法においては、流路に沿って加熱光を走査すると、流路内の流体における加熱光の走査方向下流側の部分が加熱されて走査方向下流側から上流側に向かう方向のマランゴニ対流が前記気泡または液滴の表面に沿って発生する。これにより、前記気泡または液滴は、走査方向下流側に向かって移動する。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の気泡または液滴の非接触処理方法において、液体が内部を流通する流路の内部に存在する気泡または液滴に、前記液体に吸収される光である加熱光を照射して前記気泡または液滴を前記流路の壁面から離脱させ、次いで前記加熱光を所定方向に走査することにより、前記気泡または液滴を前記流路内において前記走査方向に移動させる気泡または液滴の非接触処理方法に関する。

前記非接触処理方法において、気泡または液滴が流路の壁面から引き離される機構は請求項１のところで説明したとおりである。

そして、流路の壁面から引き離された気泡または液滴が、加熱光の走査方向に沿って流路内を移動する機構については請求項２のところで説明したとおりである。

請求項４に記載の発明は、請求項１または３に記載の気泡または液滴の非接触処理方法において、複数の気泡または液滴に前記加熱光を同時に照射することにより、前記複数の気泡または液滴を前記流路の壁面から同時に離脱させるものに関する。

前記非接触処理方法においては、前記複数の気泡または液滴に前記加熱光を同時に照射することにより、前記複数の気泡または液滴を挟んで流路の中央部寄りから壁面に向かってマランゴニ対流が発生し、前記複数の気泡または液滴と前記流路の壁面に向かって流体が入り込む。これにより、前記複数の気泡または液滴は前記壁面から離脱する。

請求項５に記載の発明は、請求項２または３に記載の気泡または液滴の非接触処理方法において、複数の気泡または液滴に前記加熱光を同時に照射し、同時に前記加熱光を所定方向に走査することにより、前記複数の気泡または液滴を前記所定方向に一体的に移動させるものに関する。

前記非接触処理方法においては、前記複数の気泡または液滴に前記加熱光を同時に照射し、同時に前記加熱光を所定方向に走査することにより、加熱光の走査方向に沿って前記複数の気泡または液滴の下流側に高温部が形成される。したがって前記複数の気泡または液滴を挟んで前記走査方向下流側から上流側に向かってマランゴニ対流が発生し、前記複数の気泡または液滴は前記走査方向下流側に向かって押圧される。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５の何れか１項に記載の気泡または液滴の非接触処理方法において前記加熱光がレーザ光であるものに関する。

前記非接触処理方法においては、加熱光としてレーザ光を用いているため、加熱光を１μｍ程度までの小さなスポット径に集光でき、また、流体における気泡または液滴の近傍部分の温度を急速に上昇させることができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜６の何れか１項に記載の気泡または液滴の非接触処理方法において、前記流路内における前記気泡または液滴の位置を検出し、前記気泡または液滴の検出位置に向かって前記加熱光を照射するものに関する。

前記非接触処理方法においては、前記気泡または液滴の検出位置に向かって加熱光を照射しているから、加熱光は前記気泡または液滴の近傍に照射される。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の気泡または液滴の非接触処理方法において前記流路内における前記気泡または液滴の位置の検出を光学的に行うものに関する。

請求項９に記載の発明は、請求項７に記載の気泡または液滴の非接触処理方法において前記流路内における前記気泡または液滴の位置の検出を超音波で行うものに関する。

請求項１０に記載の発明は、請求項７に記載の気泡または液滴の非接触処理方法において、前記流路内における前記気泡または液滴の位置の検出を電磁的に行うものに関する。

請求項１１に記載の発明は、液体が内部を流通する流路と、前記流路の内部に存在する気泡または液滴に、前記液体に吸収される光である加熱光を照射する加熱光照射手段と、を備える気泡または液滴の非接触処理装置に関する。

前記非接触処理装置においては、前記流路内の気泡または液滴に加熱光照射手段で加熱光を照射することにより、前記気泡または液滴の回りに、前記流路の中央部から壁面に向かう方向のマランゴニ対流が生じ、このマランゴニ対流によって前記気泡または液滴は流路壁面から離脱する。

請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の気泡または液滴の非接触処理装置において前記加熱光照射手段を所定方向に走査する加熱光走査手段を備えるものに関する。

前記非接触処理装置においては、前記流路内の気泡または液滴に加熱光照射手段で加熱光を照射して前記気泡または液滴を流路壁面から離脱させたあと、加熱光走査手段によって前記流路に沿って所定方向に加熱光を走査することにより、前記気泡または液滴は前記加熱光の走査方向に沿って搬送される。

請求項１３に記載の発明は、請求項１１または１２に記載の気泡または液滴の非接触処理装置において、前記流路の内部における気泡または液滴の位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段からの位置検出信号に基き、前記加熱光の照射位置を制御する照射位置制御手段と、を備えるものに関する。

前記非接触処理装置においては、流路内の気泡または液滴の位置を位置検出手段によって検出し、照射位置制御手段においては得られた検出結果に基いて加熱光走査手段を駆動して加熱光照射手段における加熱光の照射位置を制御することにより、加熱光照射手段から照射された加熱光は前記気泡または液滴に照射される。

請求項１４に記載の発明は、請求項１３に記載の気泡または液滴の非接触処理装置において、前記位置検出手段が、流路内における前記気泡または液滴の位置の検出を光学的に行うものに関する。

請求項１５に記載の発明は、請求項１４に記載の気泡または液滴の非接触処理装置において、前記位置検出手段が、前記流路内における前記気泡または液滴の位置の検出を超音波で行うものに関する。

請求項１６に記載の発明は、請求項１４に記載の気泡または液滴の非接触処理装置において、前記位置検出手段が、前記流路内における前記気泡または液滴の位置の検出を電磁的に行うものに関する。

請求項１７に記載の発明は、請求項１４に記載の気泡または液滴の非接触処理装置において、前記流路の一の壁面に沿って配設され、励起光を照射すると蛍光を発するが前記加熱光を実質的に透過する蛍光体と、前記蛍光体に向かって前記励起光を照射して蛍光を発生させる励起光照射手段と、を備え、前記位置検出手段が、前記気泡または液滴が前記蛍光で照射されて形成される像の位置を検出するとともに、照射位置制御手段が、前記像の位置に向かって加熱光を照射するように前記加熱光照射手段における加熱光の照射位置を制御するものに関する。

前記非接触処理装置においては、流路中に気泡または液滴が存在すると、前記気泡または液滴は、蛍光体に励起光を照射して生じる蛍光を遮蔽する。したがって、前記位置検出手段は、前記気泡または液滴の像を、前記蛍光体を背景とした影として検出する。前記一検出手段が前記気泡または液滴の像を検出すると、照射位置制御手段は、加熱光照射手段における加熱光の照射位置が前記像に一致するように制御する。これにより、加熱光は前記気泡または液滴に向かって照射される。

請求項１の発明によれば、微小流路の壁面に付着した気泡や液滴を非接触で前記壁面から離脱させることができるから、流体を汚染することがなく、しかも、マイクロ流体デバイス本来の機能（分離、生成、分解、反応など）を設計時そのままに発揮させることができる気泡または液滴の非接触処理方法が提供される。

請求項２の発明によれば、微小流路内に存在する気泡や液滴を所定方向に非接触で搬送できるから、流体を汚染することがなく、しかも光ピンセット技術を応用した気泡誘導法とは異なり、高出力のレーザ光を照射しなくても気泡や液滴に対して十分な大きさの駆動力を及ぼすことができる気泡または液滴の非接触処理方法が提供される。

請求項３の発明によれば、微小流路の壁面に付着した気泡や液滴を壁面から離脱させ、所定の方向に移動させる一連の動作を、非接触で、しかも同一の装置で行うことのできる気泡または液滴の非接触処理方法が提供される。

請求項４の発明によれば、微小流路の壁面に複数の気泡や液滴が付着していたときに、これらの気泡や液滴を、１回の動作で、しかも非接触で前記壁面から離脱させることのできる気泡または液滴の非接触処理方法が提供される。

請求項５の発明によれば、微小流路の内部に複数の気泡や液滴が存在しているときに、これらの気泡や液滴を、１回の動作で、しかも非接触で所定の方向に移動させることができる気泡または液滴の非接触処理方法が提供される。

請求項６の発明によれば、加熱光としてレーザ光を用いている故に、高い空間分解能および時間分解能で加熱光の照射を制御できる気泡または液滴の非接触処理方法が提供される。

請求項７の発明によれば、前記気泡や液滴の位置と前記加熱光の照射位置とのずれが小さい気泡または液滴の非接触処理方法が提供される。

請求項８の発明によれば、前記気泡または液滴の微小流路の壁面からの離脱や所定方向への搬送のみならず、前記気泡または液滴の位置の検出も光学的に行っているから、全ての工程を非接触で行うことのできる気泡または液滴の非接触処理方法が提供される。

請求項９の発明によれば、前記気泡または液滴の位置の検出を超音波でおこなっているから、微小流路内の流体が血液や懸濁液、インクジェットプリンタ用インクのように加熱光は吸収するが可視光に対しては不透明なものである場合に好適に適用できる気泡または液滴の非接触処理方法が提供される。

請求項１０の発明によれば、前記気泡または液滴の位置の検出を電磁的におこなっているから、微小流路内の流体が血液や懸濁液、インクジェットプリンタ用インクのように加熱光は吸収するが可視光に対しては不透明なものである場合に好適に適用できる気泡または液滴の非接触処理方法が提供される。

請求項１１の発明によれば、微小流路の壁面に付着した気泡や液滴を非接触で前記壁面から離脱させることができるから、流体を汚染することがなく、しかも、マイクロ流体デバイス本来の機能（分離、生成、分解、反応など）を設計時そのままに発揮させることができる気泡または液滴の非接触処理装置が提供される。

請求項１２の発明によれば、微小流路内に存在する気泡や液滴を所定方向に非接触で搬送できるから、流体を汚染することがなく、しかも光ピンセット技術を応用した気泡誘導法とは異なり、高出力のレーザ光を照射しなくても気泡や液滴に対して十分な大きさの駆動力を及ぼすことができる気泡または液滴の非接触処理装置が提供される。

請求項１３の発明によれば、前記気泡や液滴に向かって加熱光を高精度で照射できる気泡または液滴の非接触処理装置が提供される。

請求項１４の発明によれば、前記気泡または液滴の微小流路の壁面からの離脱や所定方向への搬送のみならず、前記気泡または液滴の位置の検出も非接触で行う気泡または液滴の非接触処理装置が提供される。

請求項１５の発明によれば、前記気泡または液滴の位置の検出を超音波でおこなっているから、微小流路内の流体が血液や懸濁液、インクジェットプリンタ用インクのように加熱光は吸収するが可視光に対しては不透明なものである場合に好適に適用できる気泡または液滴の非接触処理装置が提供される。

請求項１６の発明によれば、前記気泡または液滴の位置の検出を電磁的におこなっているから、微小流路内の流体が血液や懸濁液、インクジェットプリンタ用インクのように加熱光は吸収するが可視光に対しては不透明なものである場合に好適に適用できる気泡または液滴の非接触処理装置が提供される。

請求項１７の発明によれば、前記気泡または液滴の位置の検出を光学的に行うことのできる気泡または液滴の非接触処理装置が提供される。

１．実施形態１

本発明の非接触処理装置の一例であるレーザ照射システムについて以下に説明する。

［構成］

実施形態１に係るレーザ照射システム１００は、図１に示すように、本発明の流路１０が形成されたマイクロ流体デバイス１と、マイクロ流体デバイス１に照射される加熱光であるレーザ光を発生させる半導体レーザ装置２（加熱光照射手段）と、半導体レーザ装置２で発生したレーザ光をマイクロ流体デバイス１に導入するとともに、前記レーザ光の導入位置を制御するレーザ光学系３（加熱光走査手段、照射位置制御手段）と、マイクロ流体デバイス１に励起光である短波長の可視光を照射する照射光学系４（励起光照射手段）と、照射光学系４からマイクロ流体デバイス１に短波長の可視光を照射することによって生じた気泡の画像を撮像する撮像光学系５（位置検出手段）と、撮像光学系５における撮像結果に基いて半導体レーザ装置２およびレーザ光学系３を制御する制御コンピュータ７（照射位置制御手段）とを備える。

マイクロ流体デバイス１は、図２に示すように、流体が内部を流通する流路１０が形成された本体１１と、流路１０に沿って形成され、内部に蛍光色素の溶液が封入された蛍光染料層１２（蛍光体）とを備える。本体１１および蛍光染料層１２は、何れも半導体レーザ装置２からのレーザ光、照射光学系４からの励起光、および蛍光染料層１２に封入された蛍光色素溶液に前記励起光が当たって生じた蛍光の何れに対しても実質的に透明な材質で形成されている。本体１１および蛍光染料層１２の材質としては、各種透明樹脂およびガラスなどが挙げられる。

半導体レーザ装置２は、半導体レーザ素子、電源回路、および周辺回路からなる半導体レーザ発振部２１と、半導体レーザ発振部２１から発振されるレーザ光の光量を制御する制御回路部２０とを備える。

レーザ光学系３は、半導体レーザ装置２で発生したレーザ光のうち、所定の偏光面を有するもののみ、後述する反射鏡３２および集光レンズ系３１に向かって９０度反射させる偏光ビームスプリッタ３０と、偏光ビームスプリッタ３０で反射されたレーザ光を９０度反射させて集光レンズ系３１に導入する反射鏡３２と、反射鏡３２で反射されたレーザ光を、マイクロ流体デバイス１の蛍光染料層１２を通して流路１０に集光させる集光レンズ系３１と、集光レンズ系３１および反射鏡３２が載置されているとともに、集光レンズ系３１および反射鏡３２を流路１０に沿って移動させてレーザ光を図１および図２における矢印ａの方向に走査する走査ステージ３３とを備える。偏光ビームスプリッタ３０と反射鏡３２との間の光路上には１／４波長板３４が、半導体レーザ装置２と偏光ビームスプリッタ３０との間の光路上には偏光フィルタ３５が介装されている。

照射光学系４は、励起光を発生させるための水銀ランプ４０と、水銀ランプ４０で発生した励起光をマイクロ流体デバイス１の蛍光染料層１２に向かって反射するハーフミラー４２と、ハーフミラー４２で反射した励起光を流路１０の側から蛍光染料層１２に照射する照射レンズ系４４と、ハーフミラー４２と水銀ランプ４０との間に挿入されたフィルタ４６とを備える。

撮像光学系５は、ＣＣＤカメラ５０と、流路１０に生じ、ハーフミラー４２を通した像をＣＣＤカメラ５０に向かって反射させる反射鏡５２と、反射鏡５２とハーフミラー４２との間に挿入されたフィルタ５４とを有する。

なお、図１は、マイクロ流体デバイス１の一方からレーザ光を照射し、他方からマイクロ流体デバイス１内の気泡の位置を検出する構成を示すが、蛍光染料層１２を設けているため、レーザ光を照射する手段と気泡を検出する手段とを同一側に配置することができる。

［作用］

レーザ照射システム１００の作用について以下に説明する。

図１に示すように、水銀ランプ４０から照射された励起光は、フィルタ４６を通ってハーフミラー４２で反射される。ハーフミラー４２で反射された励起光は、照射レンズ系４４に導入され、図２に示すように、マイクロ流体デバイス１の本体１１の手前側および奥側、言い換えれば図２における下側および上側の壁面１１Ａを透過して蛍光染料層１２に照射される。

励起光が蛍光染料層１２に照射されると、図2に示すように、蛍光染料層１２中に封入されている蛍光色素溶液が蛍光を発生する。

蛍光染料層１２で生じた蛍光は、照射レンズ系４４およびハーフミラー４２を透過し、次いでフィルタ５４を透過して反射鏡５２で反射し、ＣＣＤカメラ５０に導入される。

ここで、流路１０内に気泡が存在すると、気泡は、蛍光染料層１２で生じた蛍光を遮るからＣＣＤカメラ５０には図２に示すように影として捉えられる。

一方、レーザ光学系３においては、走査ステージ３３を移動させて半導体レーザ装置２から照射されたレーザ光を図１および図２における矢印ａの方向に走査する。ここで、制御コンピュータは、ＣＣＤカメラ５０で捕らえた気泡の動きとレーザ光学系３におけるレーザ光の走査とが同調するように走査ステージ３３および集光レンズ系３１を制御する。

図３の（Ａ）に示すように流路１０の壁面１１Ａに気泡が１個付着しているとする。気泡に向かってレーザ光を照射すると、同図の（Ｂ）に示すように、流路１０内部を流通する流体における気泡を挟んで壁面１１Ａの反対側の部分に高温領域が形成される。そして同図の（Ｃ）において矢印ｂで示すように前記高温部から壁面１１Ａに向かってマランゴニ対流が生じ、流体が高温部から壁面１１Ａ近傍の低温部に向かって移動する。これにより、気泡は矢印ｃで示すように流路１０の中央部に向かう方向の力を受け、同図の（Ｄ）に示すように気泡は壁面１１Ａから離脱する。

気泡が壁面１１Ａから離脱した状態においては、同図の（Ｅ）に示すように、照射されたレーザ光により、流体における気泡を挟んで壁面１１Ａ側と流路１０の中央部寄りとに高温部が形成される。そして矢印ｄで示すように気泡を挟むように互いに反対方向のマランゴニ対流が生じる。しかし、気泡を中心として見たとき、マランゴニ対流ｄからの力は釣り合っているから、気泡は壁面１１Ａから離脱した状態を保持する。

図３の（Ｆ）に示すように、この状態でレーザ光を矢印ａに示すように左から右に向かって捜査すると、気泡の右側に高温部が形成される。そして、前記高温部から左方に向かう方向のマランゴニ対流ｅが生じるから、気泡は、矢印ｆで示すように右方に向かう方向の力を受け、レーザ光の走査方向ａに沿って移動する。

気泡は、このまま流路１０の外部に排出してもよいし、マイクロ流体デバイス１に気泡収納用リザーバを設け、前記リザーバに誘導してもよい。

レーザ光を照射することにより気泡が壁面から離脱した状態を観察するため、流路に強制的に気泡を注入する気泡発生装置６を図１に示すレーザ照射システム１００におけるマイクロ流体デバイス１の流路１０に接続した。

気泡発生装置６は、図４の（Ａ）に示すように、空気を供給するシリンジポンプ６２と、流体としてシリコーン油を供給するシリンジポンプ６４と、流路１０が接続されているＴ字流路６１と、シリンジポンプ６２とＴ字流路６１とを接続する管路６３と、シリンジポンプ６４とＴ字流路６１とを接続する管路６５と、シリンジポンプ６２およびシリンジポンプ６４が載置された基台６０と、シリンジポンプ６２のピストン６２Ａとシリンジポンプ６４のピストン６４Ａとを同時に押圧する押圧部材６６とを備える。押圧部材６６は、アクチュエータ（図示せず。）によって図４における左方から右方に向かって移動する。

管路６３、６５、および流路１０としては、内径１５０μｍのフッ化エチレン・プロピレン共重合体の管を用いた。流路１０は１対のカバーガラス１３によって両面から挟持されているとともに、カバーガラス１３の間には水を満たして流路１０と周囲との間の屈折率差をなくし、屈折率の差による像歪みの影響が低減されるようにしている。

なお、シリコーン油には、レーザ光を吸収させるため、オクタノール１体積％と、吸収染料のオイルブルー６３０を０．５ｍＭとを添加した。

シリンジポンプ６２と６４とを駆動し、管路６５および流路１０に図４の（Ｂ）において矢印で示すように、左方から右方に向かう一様なシリコーン油の流れを生じさせ、Ｔ字流路６１においては、シリンジポンプ６２および管路６３から空気を注入するとともに、前記シリコーン油の流れによる剪断を利用して気泡を生成させた。

次いで、生成した気泡２１個について、図１における流路１０の上方から光を照射して気泡の影を作り、この影の大きさをＣＣＤカメラ５０で測定した結果（図５の「▲：ＳＩＴ」）と、水銀ランプ４０で励起光を下方から蛍光染料層１２に照射して生じた蛍光を前記気泡が遮って生じる影の大きさをＣＣＤカメラ５０で測定した結果（図５の「○：ＦＳＴ」）とを比較する。

図５から明らかなように、両手法で測定された気泡の直径の差は０．５％以下であった。ここで、ＣＣＤカメラ５０のピクセル１個が気泡径の０．４％に相当するから、両手法で得られた結果は実質的に一致していると考えられる。

流路１０に導入された気泡は、流路１０の上方の壁面１１Ａに付着していた。そこで、前記気泡のうちの１個にレーザ光を照射した。レーザ光の波長は６３５ｎｍ、出力は２０ｍＷ以下、集光径は２５μｍとした。結果を図６に示す。なお、図６において横軸は最大明暗比でＣＣＤカメラ５０で得られた画像の明るさを示す。そして、縦軸は、流路１０におけるＺ方向位置、即ち図１における上下方向に沿った位置である。なお、最大明暗比は大きくなればなるほど画像が明るいことを示し、流路１０におけるＺ方向位置は、流路１０の中央を基準として中央より下方はマイナス、中央より上方はプラスとしている。

図６に示すように、「○」、「●」は何れも右側に山ができているが、夫々の右犀頂点部が気泡の中心位置を示している。図６において「○」で示すように、レーザ光を照射する前は、気泡は上端部が流路１０の壁面１１Ａに付着していた。これに対し、レーザ光を照射すると「●」で示すように気泡は流路１０の中央部に移動し、上端も壁面１１Ａから離れた。なお、気泡を壁面１１Ａから引き離すのに必要なレーザ光の出力は１０ないし１５ｍＷであり、光ピンセット法で気泡を流路１０に沿って移動させるのに必要なレーザ出力の１／１０程度であった。

更に、レーザ光を、Ｘ方向、即ち図１において矢印ａで示す方向に沿って走査したときの気泡のＸ方向に沿った位置を調べた。結果を図７に示す。図７に示すように、レーザ光を連続的に走査しても断続的に走査しても気泡は高い追従性でレーザ光に追従することが判る。なお、気泡を移動させるのに必要なレーザ光の出力は１ｍＷ程度であり、前記光ピンセット法に必要なレーザ出力の１／１００程度で十分であった。

このことから、実施形態１のレーザ照射システム１００は、従来の光ピンセット法を用いたレーザ照射システムに比較してレーザ光の出力が１／１０ないし１／１００でよいから、蛋白質や酵素などのように熱に敏感な溶液の取り扱いに好適である。

本発明は、化学やバイオテクノロジーで使用されるマイクロ流体デバイスにおいて気泡や液滴を壁面から離脱させたり、所定方向に搬送して流路から除去したりするのに適用できる。また、インクジェットプリンタのインクジェット記録ヘッドにおいてインクに混入した気泡を除去するのにも使用される。

図１は、実施形態１に係るレーザ照射システムの全体的な構成を示す概略図である。 図２は、図１に示すレーザ照射システムの備えるマイクロ流体デバイスの詳細な構成を示す拡大図である。 図３は、図２に示すマイクロ流体デバイス１において気泡にレーザ光を照射することにより、気泡が流路の壁面から離脱し、または流路内の所定方向に移動する原理について説明する説明図である。 図４は、図１は、実施例１で使用された気泡発生装置の構成及び作用を示す概略図である。 図５は、所謂ＳＩＴ法とＦＳＴ法とで測定された気泡の粒径の差を示すグラフである。 図６は、レーザ光の照射により、気泡が流路の壁面から離れるところを示すグラフである。 図７は、図２のマイクロ流体デバイスの流路に沿ってレーザ光を走査したときのレーザ光の位置と気泡の位置との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ マイクロ流体デバイス
２ 半導体レーザ装置
３ レーザ光学系
４ 照射光学系
５ 撮像光学系
６ 気泡発生装置
７ 制御コンピュータ
１０ 流路
１１Ａ 壁面
１１ 本体
１２ 蛍光染料層
１３ カバーガラス
２０ 制御回路部
２１ 半導体レーザ発振部
３０ 偏光ビームスプリッタ
３１ 集光レンズ系
３２ 反射鏡
３３ 走査ステージ
３４ １／４波長板
３５ 偏光フィルタ
４０ 水銀ランプ
４２ ハーフミラー
４４ 照射レンズ系
４６ フィルタ
５０ ＣＣＤカメラ
５２ 反射鏡
５４ フィルタ
６０ 基台
６１ Ｔ字流路
６２ シリンジポンプ
６２Ａ ピストン
６３ 管路
６４ シリンジポンプ
６４Ａ ピストン
６５ 管路
６６ 押圧部材
１００ レーザ照射システム

Claims (17)

1. 液体が内部を流通する流路の内部に存在する気泡または液滴に、前記液体に吸収される光である加熱光を照射して前記気泡または液滴を前記流路の壁面から離脱させ、および／または前記加熱光を所定方向に走査することにより、前記気泡または液滴を前記流路内において前記走査方向に沿って移動させる気泡または液滴の非接触処理方法。
2. 液体が内部を流通する流路の内部に存在する気泡または液滴に、前記液体に吸収される光である加熱光を照射するとともに、前記加熱光を所定方向に走査することにより、前記気泡または液滴を前記流路内において前記走査方向に沿って移動させる請求項１に記載の気泡または液滴の非接触処理方法。
3. 液体が内部を流通する流路の内部に存在する気泡または液滴に、前記液体に吸収される光である加熱光を照射して前記気泡または液滴を前記流路の壁面から離脱させ、次いで前記加熱光を所定方向に走査することにより、前記気泡または液滴を前記流路内において前記走査方向に移動させる請求項１に記載の気泡または液滴の非接触処理方法。
4. 複数の気泡または液滴に前記加熱光を同時に照射することにより、前記複数の気泡または液滴を前記流路の壁面から同時に離脱させる請求項１または３に記載の気泡または液滴の非接触処理方法。
5. 複数の気泡または液滴に前記加熱光を同時に照射し、同時に前記加熱光を所定方向に走査することにより、前記複数の気泡または液滴を前記所定方向に一体的に移動させる請求項２または３に記載の気泡または液滴の非接触処理方法。
6. 前記加熱光はレーザ光である請求項１〜５の何れか１項に記載の気泡または液滴の非接触処理方法。
7. 前記流路内における前記気泡または液滴の位置を検出し、検出した気泡または液滴に対して前記加熱光を照射する請求項１〜６の何れか１項に記載の気泡または液滴の非接触処理方法。
8. 前記流路内における前記気泡または液滴の位置の検出を光学的に行う請求項７に記載の気泡または液滴の非接触処理方法。
9. 前記流路内における前記気泡または液滴の位置の検出を超音波で行う請求項７に記載の気泡または液滴の非接触処理方法。
10. 前記流路内における前記気泡または液滴の位置の検出を電磁的に行う請求項７に記載の気泡または液滴の非接触処理方法。
11. 液体が内部を流通する流路と、
    前記流路の内部に存在する気泡または液滴に、前記液体に吸収される光である加熱光を照射する加熱光照射手段と、
    を備える気泡または液滴の非接触処理装置。
12. 前記加熱光照射手段を所定方向に走査する加熱光走査手段を備える請求項１１に記載の気泡または液滴の非接触処理装置。
13. 前記流路の内部における気泡または液滴の位置を検出する位置検出手段と、
    前記位置検出手段からの位置検出信号に基き、前記加熱光の照射位置を制御する照射位置制御手段と、
    を備える請求項１１または１２に記載の気泡または液滴の非接触処理装置。
14. 前記位置検出手段は、流路内における前記気泡または液滴の位置の検出を光学的に行う請求項１３に記載の気泡または液滴の非接触処理装置。
15. 前記位置検出手段は、前記流路内における前記気泡または液滴の位置の検出を超音波で行う請求項１４に記載の気泡または液滴の非接触処理装置。
16. 前記位置検出手段は、前記流路内における前記気泡または液滴の位置の検出を電磁的に行う請求項１４に記載の気泡または液滴の非接触処理装置。
17. 前記流路の一の壁面に沿って配設され、励起光を照射すると蛍光を発するが前記加熱光を実質的に透過する蛍光体と、
    前記蛍光体に向かって前記励起光を照射して蛍光を発生させる励起光照射手段と、
    を備え、
    前記位置検出手段は、前記気泡または液滴が前記蛍光で照射されて形成される像の位置を検出するとともに、
    照射位置制御手段は、前記像の位置に向かって加熱光を照射するように前記加熱光照射手段における加熱光の照射位置を制御する請求項１４に記載の気泡または液滴の非接触処理装置。

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