JP2010085334A - エレクトロウエッティングバルブ付き送液構造体、これを用いたマイクロ分析チップ及び分析装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】流路内の液の流れを制御するエレクトロウエッティングバルブが配置されたエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体において、エレクトロウエッティングバルブは、流路内の特定域に形成された作用電極と、作用電極の形成された特定域よりも上流側に形成された参照電極と、を有し、両電極に電圧が印加されていない状態において、作用電極上流端における流路に働く圧力を正とし、下流側においては流路に働く圧力を0又は負とする。
【選択図】図5
Description
(1)作用電極表面の上流端を親水性とする、
(2)作用電極上流端を含む流路断面において液体に発生する表面張力による圧力が正となるように、流路内壁面における親水材料比率を高める、
(3)作用電極が形成された部分の上流端以外の流路領域に、液体接触面を増やす疎水性構造物を設ける、
という手段を講じている。
本実施の形態は、上記第1の発明に関するものである。
本実施の形態にかかる送液構造体を図1〜3に示す。図1(a)は送液構造体の全容を示す図であり、図1(b)は主基板、図1(c)は蓋基板を示す概念図である。図2は、図1の破線140での断面図である。図3は、作用電極近傍の流路を示す平面図である。
流路内壁面に親水性(ガラス基板に起因する内壁面)と疎水性(PDMS基板に起因する内壁面)の両方が存在する本実施の形態において、流路に働く圧力Pは次のように求めることができる。図22に示す流路断面図において、流路高さ161をh、流路幅162をwとし、主基板111の接触角をθ1、蓋基板110の接触角をθ2、気液界面の界面張力をσとしたとき、流路の上面で働く界面張力をF1、下面で働く界面張力をF2、左右面で働く界面張力をF3とするとき、これらはそれぞれ図23に示す式2、式3、式4で求められる。流路に働く圧力Pは、F1、F2、F3の和を断面積whで割ったものであるので、この場合の流路に働く圧力Pは図23の式5で求められる。圧力Pが正の値になる場合は、毛細管現象が生じて液体が進み、圧力Pが0又は負の値になる場合は毛細管現象が生ぜず、液体が停止する。
図4に本実施の形態にかかる送液構造体の流路における液体の流れを示す。図4(a)は電圧印加OFFの状態、図4(b)は電圧印加ONの状態を示している。
実施の形態2は、上記第2の発明に関するものである。
本実施の形態にかかる送液構造体を、図5に示す。図5(a)は送液構造体の全容を示す図であり、図5(b)は主基板、図5(c)は蓋基板を示す概念図である。
図6は、本実施の形態にかかる送液構造体の作用電極近傍を示す拡大図である。
例えば、図7に示すように、作用電極132近傍の流路幅を急激に変化させる(流路の輪郭線の角度が90°である)構造を採用してもよい。
主基板が親水性であり、蓋基板が疎水性である構成としてもよい。この場合は、以下のように設計する。
図9に示すように、流路高さを変更する構成を採用してもよい。
上記変形例3において、図10に示すように、流路高さを段階的に変化させる構造を採用してもよい。
上記変形例3,4において、主基板が親水性、蓋基板が疎水性としてもよい。この場合は以下のように設計する。
また、流路幅や流路高さを変更せずに、作用電極上流端における流路内壁面を親水化処理及び/又は作用電極下流側における流路内壁面を疎水化処理してもよい。
本実施の形態は、上記第3の発明に関するものである。
図12に、実施の形態3にかかる送液構造体を示す。本実施の形態では、作用電極の下流側(疎水性基板111側)に、液体接触面を増加させる疎水性構造物149を設けている。このため、この疎水性構造物149が設けられた部分の流路では、流路内壁面にさらに疎水性構造物149による影響が加わり、疎水性が高くなる。電圧印加がOFFの時、作用電極上流端において流路に働く圧力が正であり、疎水性構造物149形成領域において流路に働く圧力が0又は負となるようにすれば(図23の式5を応用する)、液体は作用電極132上流端に接し、且つ疎水性構造物149形成領域で停止する。電圧印加がONのときには、液体が疎水性構造物149形成領域を通過して流れる。
実施の形態4は、上記実施の形態1に示すエレクトロウエッティングバルブを2つ直列に配置したものである。
実施の形態5は、上記実施の形態2に示すエレクトロウエッティングバルブを2つ並列に配置したものである。
実施の形態6は本発明送液構造体を利用したマイクロ分析チップに関する。実施の形態3にかかるマイクロ分析チップは、図15に示すように、注入孔112と、流路114a〜eと、排出孔113と、を有している(図15参照)。
実施の形態7は、参照電極131の電位を安定にするため、対向電極137を設置したこと以外は、上記実施の形態1と同様である(図16参照)。対向電極137を設置することで、電位の基準になる参照電極131への電流の流れを防止することができ、参照電極の電位を安定させることができる。この効果により、より高精度にエレクトロウエットバルブを電気的に駆動することが可能となる。
実施の形態8は、実施の形態6にかかるマイクロ分析チップを更に発展させたものである。実施の形態8にかかるマイクロ分析チップの具体的構成の詳細を順次説明する。
実施の形態にかかるマイクロ分析チップの全体構成図を、図17に示す。図17に示すように、実施の形態8のマイクロ分析チップは、第1の液体用の第1注入孔2001と、第2の液体用の第2注入孔2002と、これらの注入孔に連続する第1液溜め部2003、第2液溜め部2004と、これらの液溜め部に連続する注入路2005、2006と、ミキサー部2007と、第1隘路2009と、第1の流路2008と、第2隘路2011と、第2の流路2010と、第3隘路2013と、第3の流路2016と、排出孔2014と、を有し、第1の流路2008には、反応部2017が設けられ、第2の流路2010には、検出部2012が設けられている。
第1の液体用の注入孔2001および第2の液体用の注入孔2002より、それぞれ第1の液体および第2の液体を注入する。これにより、液溜め部2003、2004にそれぞれの液体を注入できる。
ミキサー部は第1の液体と第2の液体を充分混合できるように構成する。例えば、ミキサー部に、第1開閉バルブおよび第2開閉バルブから流入して来た液体が自然混合されるように、マイクロピラー構造設けるのもよい。また、T字型ミキサー、Manzミキサー、3次元蛇行流路を用いたミキサーなどを設けることもできる。
第1の流路2008は、反応を行う反応領域として機能する。第1の流路2008に設けられる反応部2017は第1の流路2008の全部であってもよいし、その一部であってもよい。反応部2017には、例えばサンプル溶液に含まれる被検出物質を特異的に認識し反応する分子が配置される。被検出物質が抗原である場合は、抗体を反応部に固定化するとよい。被検出物質を検出するためには、酵素免疫反応のサンドイッチ法を用いることができ、この場合、抗原を酵素標識抗体(二次抗体)と反応させ、抗原と酵素標識抗体が結合した複合体とする。この複合体を反応部に予め固定化しておき抗体(一次抗体)と反応させる。次に基質を導入し、二次抗体に標識されている酵素と反応させ、反応により生成された電気化学的に活性のある物質を検出部の電極上で電気化学的に検出を行う。反応部では、検出部にて検出できる物質が被検出物質の量に応じて生成される。なお、反応部における検出手段が光学的な手段であってもよい。
外部接続端子2015は、外部よりチップに駆動電源や駆動情報を入力し、また外部に検出結果等を出力するためのものである。この端子の形成に金薄膜を用いると、外部接続端子の形成をエレクトロウエッティングバルブや検出電極などと同様に行うことができるので生産効率がよい。なお、金に代えて、銅や鉄またはアルミニウムなどの他の導電性材料を用いてもよいことは勿論である。
実施の形態8にかかるマイクロ分析チップは第1基板(主基板)2101と第2基板(蓋基板)2102を重ね合わせた2層構造になっている。2層構造の各々の層構造について図18を用いて説明する。
実施の形態9は、携帯可能なハンディ型のマイクロ分析装置に関する。実施の形態8の内容を図19に基づいて説明する。図19は、実施の形態9にかかる携帯可能なハンディ型のマイクロ分析装置の概要を説明するための概念図である。
実施の形態10のマイクロ分析装置は、試料(被検液)の採取、検出データの分析、分析結果の出力等、の各機能が複数の基板にそれぞれ形成され、これが積層され一体化された一体型マイクロ分析装置に関する。
次に、実施例により本発明の説明を行うが、本発明の範囲は実施例に限定されるものではない。
テトラフルオロエチレン疎水性膜を作用電極全面に形成したこと以外は、上記実施例と同様にして送液構造体を作製した。
111 主基板
112 注入孔
113 排出孔
114 流路
131 参照電極
132 作用電極
133 引き出し電極
134 親水性領域
135 疎水性領域
136 外部接続端子用電極
137 対向電極
149 疎水性構造物
Claims (22)
- 流路内の液の流れを制御するエレクトロウエッティングバルブが配置されたエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体において、
前記エレクトロウエッティングバルブは、流路内の特定域に形成された作用電極と、前記作用電極の形成された特定域よりも上流側に形成された参照電極と、を有し、
前記両電極に電圧が印加されていない状態において、前記作用電極表面の少なくとも一部が疎水性であり、前記作用電極表面の少なくとも上流側端部近傍が親水性である、
ことを特徴とするエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体。 - 請求項1に記載のエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体において
前記流路は、流れ方向に直交する断面視において常に疎水領域と親水領域とが存在する構造である、
ことを特徴とするエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体。 - 請求項2に記載のエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体において、
前記エレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体は、少なくとも前記流路用の溝が形成された主基板と、
前記参照電極と前記作用電極が形成された蓋基板と、を有し、
前記主基板と前記蓋基板とが重ね合わされてなるものである、
ことを特徴とするエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体。 - 請求項3に記載のエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体において、
前記主基板は、疎水性材料からなり、
前記蓋基板は、親水性材料からなる、
ことを特徴とするエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体。 - 請求項4に記載のエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体において、
前記主基板はポリジメチルシロキサンからなり、
前記蓋基板はガラスからなる、
ことを特徴とするエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体。 - 請求項1ないし5いずれか1項に記載のエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体において、
前記作用電極の構成材料が疎水性であり、
前記作用電極の上流端近傍表面に親水化処理が施されている、
ことを特徴とするエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体。 - 請求項6に記載のエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体において、
前記親水化処理は、親水処理剤処理、プラズマ処理、UV処理、表面粗さの制御からなる群より選択される少なくとも一種である
ことを特徴とするエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体。 - 請求項1ないし5いずれか1項に記載のエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体において、
前記作用電極の構成材料が親水性であり、
前記上流側端近傍表面を除く作用電極表面に疎水化処理されている、
ことを特徴とするエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体。 - 請求項8に記載のエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体において、
前記疎水化処理が、疎水処理剤処理、疎水性膜の形成、表面粗さの制御からなる群より選択される少なくとも一種である
ことを特徴とするエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体。 - 流路内の液の流れを制御するエレクトロウエッティングバルブが配置されたエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体において、
前記エレクトロウエッティングバルブは、流路内の特定域に形成された作用電極と、前記作用電極の形成された特定域よりも上流側に形成された参照電極と、を有し、
前記両電極に電圧が印加されていない状態において、前記作用電極が疎水性であり、
前記作用電極の上流端を含む流路断面において液体に発生する表面張力による圧力が正であり、且つ作用電極が形成された領域の流路には、液体に発生する表面張力による圧力が0又は負である部分が存在する、
ことを特徴とするエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体。 - 請求項10に記載のエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体において、
前記エレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体は、少なくとも前記流路用の溝が形成された主基板と、
前記参照電極と前記作用電極が形成された蓋基板と、を有し、
前記主基板と前記蓋基板とが重ね合わされてなるものである、
ことを特徴とするエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体。 - 請求項11に記載のエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体において、
前記主基板は、疎水性材料からなり、
前記蓋基板は、親水性材料からなる、
ことを特徴とするエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体。 - 請求項12に記載のエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体において、
前記主基板はポリジメチルシロキサンからなり、
前記蓋基板はガラスからなる、
ことを特徴とするエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体。 - 請求項12又は13に記載のエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体において、
前記作用電極上流端における溝幅が、前記表面張力による圧力が0又は負である部分における溝幅よりも大きい、
ことを特徴とするエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体。 - 請求項12ないし14いずれか1項に記載のエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体において、
前記作用電極上流端における溝高さが、前記表面張力による圧力が0又は負である部分における溝高さよりも小さい、
ことを特徴とするエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体。 - 流路内の液の流れを制御するエレクトロウエッティングバルブが配置されたエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体において、
前記エレクトロウエッティングバルブは、流路内の特定域に形成された作用電極と、前記作用電極の形成された特定域よりも上流側に形成された参照電極と、を有し、
前記両電極に電圧が印加されていない状態において、前記作用電極の少なくとも上流側端部近傍が親水性であり、
前記作用電極の上流端以外の領域に、流路の液体接触面を増加させる疎水性構造物が設けられている、
ことを特徴とするエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体。 - 請求項16に記載のエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体において、
前記疎水性構造物が、ピラー、穴、溝の少なくとも一種である、
ことを特徴とするエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体。 - 請求項16又は17に記載のエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体において、
前記エレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体は、少なくとも前記流路用の溝が形成された主基板と、
前記参照電極と前記作用電極が形成された蓋基板と、を有し、
前記主基板と前記蓋基板とが重ね合わされてなるものである、
ことを特徴とするエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体。 - 請求項18に記載のエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体において、
前記主基板は、疎水性材料からなり、
前記蓋基板は、親水性材料からなる、
ことを特徴とするエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体。 - 請求項19に記載のエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体において、
前記主基板はポリジメチルシロキサンからなり、
前記蓋基板はガラスからなる、
ことを特徴とするエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体。 - 請求項1ないし20いずれか1項に記載のエレクトロウエッティングバルブ付き流路構造体を必須要素として備えた分析チップ。
- 請求項21に記載の分析チップを必須要素として備えた分析装置。
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