JP2017024170A - マイクロ流路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流路内の液体の流動を制御しやすいマイクロ流路装置を提供する。
【解決手段】マイクロ流路装置１０は、親液部外周壁３１と、凹状親液部３０と、親液部入口流路３２と、親液部出口流路３３と、疎液部外周壁５１と、凹状疎液部５０と、疎液部入口流路５２と、疎液部出口流路５３とを備えている。凹状親液部３０内には複数のピラー４０が設けられ、最上流側に位置するピラー４０と、親液部入口壁３４との間の距離が、親液部入口流路３２に内接する最大球の直径以上となっている。凹状疎液部５０内には複数のピラー６０が設けられ、最外周側に位置するピラー６０と、疎液部外周壁５１との間の距離、および複数のピラー６０間の距離が、いずれも疎液部入口流路５２に内接する最大球の直径未満となっている。親液部出口流路３３と疎液部入口流路５２とが互いに連結されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体の流れを制御するマイクロ流路装置に関する。

従来、構造体の表面を撥水性または親水性にすることで、防曇性や防汚性の機能を持たせることが知られている。とりわけ近年、撥水性と親水性との差を利用することで、液体の移動を制御する受動弁の機能が注目され、これを利用したマイクロ流路の開発が活発に行われている（例えば特許文献１）。

従来技術では、特に撥水性を発現させるためにフッ素やシリコーンといった表面エネルギーの小さい材料を含有する薬剤により材料表面を化学処理している。例えば特許文献１では、撥水（疎水）部はフッ素系のポリマー、例えば、ＣＰＦＰをパーフルオロ溶媒で薄めたポリマー（商品名：ＣｙｔｏｐＣＴＬ−８０９Ｍ、旭硝子）を使用して形成することが記載されている（段落［００１３］および［発明の実施の形態］参照）。

一方、マイクロ流路の応用分野として最も期待される医療検査チップ、例えばμ−ＴＡＳやバイオセンサ等においては、薬剤の溶出により検査精度が劣化することが懸念される。このため、材料表面を非化学処理することにより撥水性および親水性を制御する手段を確立することが強く望まれている。

特許第４５９０５４２号公報 国際公開第２００５／１２３２４２号

上記課題を解決する技術として、例えば特許文献２に開示されたものが知られている。これはマイクロ流路に微細凹凸を形成して親水性および疎水性を制御するという技術である。しかしながら、この技術は基材の親水性または疎水性の一方を大きくする方法であり、親水性および疎水性を制御できる範囲は限られている。

また、特許文献２において、保液部と疎液部とを設ける構成も示されているが、保液部の表面および疎液部の表面は、それぞれ表面コーティング膜によって被覆されている（段落［０１０８］−［０１１３］参照）。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、材料表面を化学処理することなく、流路内の親水性および疎水性の両方を制御することが可能となり、流路内での液体の流動を制御しやすいマイクロ流路装置を提供することにある。

本発明の一実施の形態によるマイクロ流路装置は、液体の流れを制御するマイクロ流路装置であって、親液部入口壁と親液部出口壁とを含む親液部外周壁と、前記親液部外周壁により規定された凹状親液部と、前記親液部入口壁の上部に形成された親液部入口流路と、前記親液部出口壁の上部に形成された親液部出口流路と、疎液部入口壁と疎液部出口壁とを含む疎液部外周壁と、前記疎液部外周壁により規定された凹状疎液部と、前記疎液部入口壁の上部に形成された疎液部入口流路と、前記疎液部出口壁の上部に形成された疎液部出口流路とを備え、前記凹状親液部内には複数のピラーが設けられ、前記凹状親液部の前記複数のピラーのうち最上流側に位置するピラーと、前記親液部入口壁との間の距離が、前記親液部入口流路に内接する最大球の直径以上となっており、前記凹状疎液部内には複数のピラーが設けられ、前記凹状疎液部の前記複数のピラーのうち最外周側に位置するピラーと、前記疎液部外周壁との間の距離、および前記凹状疎液部の前記複数のピラー間の距離が、いずれも前記疎液部入口流路に内接する最大球の直径未満となっており、前記親液部出口流路と前記疎液部入口流路とが互いに連結されているか、又は、前記疎液部出口流路と前記親液部入口流路とが互いに連結されていることを特徴とするものである。

本発明の一実施の形態によるマイクロ流路装置において、前記凹状親液部の各前記ピラーの上端は、前記親液部入口流路の底面および前記親液部出口流路の底面より下方に位置してもよい。

本発明の一実施の形態によるマイクロ流路装置において、前記凹状親液部の各前記ピラーは、それぞれ１μｍ未満のピッチで配列されていてもよい。

本発明の一実施の形態によるマイクロ流路装置において、前記凹状親液部の各前記ピラーは、それぞれ０．５より大きいアスペクト比を有してもよい。

本発明の一実施の形態によるマイクロ流路装置において、前記凹状疎液部の各前記ピラーの上端は、前記疎液部入口流路の底面および前記疎液部出口流路の底面より下方に位置してもよい。

本発明の一実施の形態によるマイクロ流路装置において、前記凹状疎液部の各前記ピラーは、それぞれ１μｍ以上かつ２０μｍ以下のピッチで配列されていてもよい。

本発明の一実施の形態によるマイクロ流路装置において、前記凹状疎液部の各前記ピラーは、それぞれ０．５以下のアスペクト比を有してもよい。

本発明の一実施の形態によるマイクロ流路装置は、液体の流れを制御するマイクロ流路装置であって、親液部入口壁と親液部出口壁とを含む親液部外周壁と、前記親液部外周壁により規定された凹状親液部と、前記親液部入口壁の上部に形成された親液部入口流路と、前記親液部出口壁の上部に形成された親液部出口流路とを備え、前記凹状親液部内には複数のピラーが設けられ、前記複数のピラーのうち最上流側に位置するピラーと、前記親液部入口壁との間の距離が、前記親液部入口流路に内接する最大球の直径以上となっていることを特徴とするものである。

本発明の一実施の形態によるマイクロ流路装置は、液体の流れを制御するマイクロ流路装置であって、疎液部入口壁と疎液部出口壁とを含む疎液部外周壁と、前記疎液部外周壁により規定された凹状疎液部と、前記疎液部入口壁の上部に形成された疎液部入口流路と、前記疎液部出口壁の上部に形成された疎液部出口流路とを備え、前記凹状疎液部内には複数のピラーが設けられ、前記複数のピラーのうち最外周側に位置するピラーと、前記疎液部外周壁との間の距離、および前記複数のピラー間の距離が、いずれも前記疎液部入口流路に内接する最大球の直径未満となっていることを特徴とするものである。

本発明の一実施の形態によるマイクロ流路装置において、前記液体に対する接触角が９０°未満となる材料から作製されてもよい。

本発明によれば、材料表面を化学処理することなく、親水性および疎水性の両方を制御することが可能となり、流路内での液体の流動を制御しやすくすることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロ流路装置を示す垂直断面図（図２のＩ−Ｉ線断面図）である。 図２は、本発明の一実施形態に係るマイクロ流路装置を示す水平断面図（図１のII−II線断面図）である。 図３は、本発明の一実施形態に係るマイクロ流路装置を示す垂直断面図（図２のIII−III線断面図）である。 図４は、本発明の一実施形態に係るマイクロ流路装置を示す垂直断面図（図２のIV−IV線断面図）である。 図５は、マイクロ流路装置の凹状親液部を示す平面図である。 図６は、凹状親液部のピラーを示す拡大正面図である。 図７は、凹状親液部内の液体を示す概略垂直断面図である。 図８は、マイクロ流路装置の親液部入口流路の変形例を示す垂直断面図（図２に対応する図）である。 図９は、マイクロ流路装置の凹状疎液部を示す平面図である。 図１０は、凹状疎液部のピラーを示す拡大正面図である。 図１１は、凹状疎液部の変形例を示す垂直断面図である。 図１２は、凹状疎液部内の液体を示す概略垂直断面図である。 図１３は、マイクロ流路装置の一変形例を示す垂直断面図である。 図１４は、マイクロ流路装置の一変形例を示す垂直断面図である。 図１５は、マイクロ流路装置の一変形例を示す概略平面図である。 図１６は、マイクロ流路装置の一変形例を示す概略平面図である。 図１７は、マイクロ流路装置の一変形例を示す概略断面図である。 図１８は、マイクロ流路装置の一変形例を示す概略断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の各実施形態について説明する。図面は例示であり、説明のために特徴部を誇張することがあり、実物とは異なる場合がある。また、技術思想を逸脱しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。なお、以下の各図において、同一部分には同一の符号を付しており、一部詳細な説明を省略する場合がある。

（マイクロ流路装置の構成）
まず本発明の一実施形態に係るマイクロ流路装置の構成について説明する。図１乃至図４は、本実施形態に係るマイクロ流路装置の図である。なお、図１および図２において、左方（Ｘ方向マイナス側）が上流側に対応し、右方（Ｘ方向プラス側）が下流側に対応する。

図１乃至図４に示すように、マイクロ流路装置１０は、液体Ｌの流れを制御するものであり、下方に位置する流路本体２０と、流路本体２０に密着してこれを覆う平板状の蓋体１１とを有している。

このうち流路本体２０は、親液部外周壁３１によって規定された凹状親液部３０と、疎液部外周壁５１によって規定された凹状疎液部５０とを有している。

また、凹状親液部３０の上流側には、親液部入口流路３２が形成されている。この親液部入口流路３２は、凹状親液部３０に連通しており、親液部入口流路３２を介して液体Ｌが凹状親液部３０に流入するようになっている。さらに、凹状親液部３０の下流側には、親液部出口流路３３が形成されている。この親液部出口流路３３は、凹状親液部３０に連通しており、親液部出口流路３３を介して液体Ｌが凹状親液部３０から流出するようになっている。

一方、凹状疎液部５０の上流側には、疎液部入口流路５２が形成されている。この疎液部入口流路５２は、凹状疎液部５０に連通しており、疎液部入口流路５２を介して液体Ｌが凹状疎液部５０に流入するようになっている。さらに、凹状疎液部５０の下流側には、疎液部出口流路５３が形成されている。この疎液部出口流路５３は、凹状疎液部５０に連通しており、疎液部出口流路５３を介して液体Ｌが凹状疎液部５０から外方へ流出するようになっている。

次に、これら親液部入口流路３２、凹状親液部３０、親液部出口流路３３、疎液部入口流路５２、凹状疎液部５０および疎液部出口流路５３の構成について更に詳細に説明する。

（親液部入口流路３２）
親液部入口流路３２は、マイクロ流路装置１０の外部から導入された液体Ｌを凹状親液部３０側に搬送するものである。この親液部入口流路３２は、図４に示すように、底面３２ａと、底面３２ａから延びる側面３２ｂとを有している。また、親液部入口流路３２の上流側端部には流入口２１が設けられている。親液部入口流路３２の上面は、蓋体１１によって覆われている。この場合、親液部入口流路３２の垂直断面（Ｙ方向に沿う断面）は長方形状を有しているが、これに限られるものではなく、半円形状、台形形状等としても良い。

なお、親液部入口流路３２の幅ｗ_ａ（Ｙ方向に沿う長さ）は、例えば１０μｍ以上１ｍｍ以下としても良い。また、親液部入口流路３２の高さｈ_ａ（Ｚ方向に沿う長さ）は、例えば１μｍ以上５００μｍ以下としても良い。

（凹状親液部３０）
凹状親液部３０は、マイクロ流路装置１０内を流れる液体Ｌに対して親和性の高い（親液性をもつ）領域であり、流路本体２０を構成する未加工の基材に対して親和性が高い領域である。この凹状親液部３０は、底面３７と、底面３７を取り囲むように立設された親液部外周壁３１とを有している。

このうち親液部外周壁３１は、上部に親液部入口流路３２が形成された親液部入口壁３４と、上部に親液部出口流路３３が形成された親液部出口壁３５と、親液部入口壁３４と親液部出口壁３５との間に位置する親液部側壁３６とを有している。親液部入口壁３４は、凹状親液部３０の親液部入口流路３２に接続する側の壁である。また、親液部出口壁３５は、凹状親液部３０の親液部出口流路３３に接続する側の壁である。この場合、親液部外周壁３１は、平面長方形状を有しているが、これに限られるものではなく、円形状、楕円形状、多角形状（例えば、三角形状、台形状、六角形状）等としても良い。

この場合、凹状親液部３０の幅（Ｙ方向に沿う長さ）は、親液部入口流路３２の幅（Ｙ方向に沿う長さ）と等しくなっているが、これに限られるものではなく、凹状親液部３０の幅が親液部入口流路３２の幅と異なっても良い。

また、凹状親液部３０内には、複数のピラー４０が設けられている。各ピラー４０は、底面３７上に突設されるとともに、それぞれ円柱形状を有している。これらのピラー４０の上端４１は、親液部入口流路３２の底面３２ａおよび親液部出口流路３３の底面３３ａより下方に位置している。これにより、液体Ｌを親液部入口流路３２から流入しやすくするとともに、液体Ｌを親液部出口流路３３から流出させやすくすることができる。

なお、複数のピラー４０は、全体として凹状親液部３０の表面積を高めるように形成された微細周期構造を有していれば良く、どのような形状であっても良い。すなわち、各ピラー４０の形状は、円柱形状に限られるものではなく、四角柱形状、楕円柱形状、多角柱形状等としても良い。あるいは、各ピラー４０の形状は、円錐、四角錐、三角錐等の錐形状や、切頭錐形状としても良い。とりわけ、微細加工が施しやすい形状である円柱形状または四角柱形状とすることが好ましい。

また、各ピラー４０は、互いに同一形状を有するとともに、それぞれ均等なピッチｐ_ｘで千鳥状（三角格子状）に配置されている（図５参照）。この場合、複数のピラー４０は、細密充填配置とすることが好ましい。これにより凹状親液部３０の表面積を最も大きくすることができる。なお、各ピラー４０は、正方格子状に配置されていても良い。

複数のピラー４０のピッチｐ_ｘは１μｍ未満で配置されることが好ましく、０．１μｍ以上０．５μｍ以下で配置されることが更に好ましい。ピラー４０のピッチｐ_ｘを上記範囲の値にすることにより、凹状親液部３０の液体Ｌに対する接触角を低下させ、親液性をより高めることができる。ここで、ピラー４０のピッチｐ_ｘとは、互いに隣接する２つのピラー４０の中心から中心までの平面上の距離をいう。

なお、複数のピラー４０のうち一部のピラー４０が、異なる形状を有しても良く、および／または、異なるピッチｐ_ｘで配置されていても良い。また、ピラー４０の個数は、凹状親液部３０の表面積を大きくする効果が得られれば良い。具体的には、ピラー４０は２個以上設けられていれば良く、求められる親液性の度合いによって適宜設定することが可能である。

さらに、図６に示すように、各ピラー４０の幅ｗ_ｘは、５０ｎｍ以上９００ｎｍ以下とすることが好ましい。但し、各ピラー４０は、それぞれ０．５より大きいアスペクト比を有することが好ましい。これにより、凹状親液部３０の親液性をより高めることができる。なお、アスペクト比とは、（ピラー４０の高さｈ_ｘ）／（ピラー４０の幅ｗ_ｘ）によって定義される。

ところで、図５に示すように、凹状親液部３０の内部のうち上流側の領域に、ピラー４０が設けられていない液導入空間３８が形成されている。この場合、液導入空間３８の長さｄ_ｘ（Ｘ方向に沿う長さ）は、親液部入口流路３２から導入される液体Ｌの液滴径ｒ_ｘ以上となっている。

このように、液導入空間３８の長さを液滴径ｒ_ｘ以上としたことにより、親液部入口流路３２からの液体Ｌが、凹状親液部３０の底面３７に確実に接触する。このため、ピラー４０間の底面３７上にまで液体Ｌが進入し、これにより凹状親液部３０の親液性を高めることができる（図７参照）。なお、このように基材（すなわち凹状親液部３０）の表面積を大きくすることにより、当該基材の親液性を高めることができることは、Wenzel理論として知られている。液体Ｌは、実際には必ずしも球体となって流れるわけではないが、液体Ｌが連続で流れる場合であっても、本実施の形態の考え方を適用することが可能である。

また、液導入空間３８の長さは、親液部入口流路３２から導入される液体Ｌの液滴径ｒ_ｘの５倍以上とすることが更に好ましい。これにより、親液部入口流路３２からの液体Ｌをピラー４０間の底面３７上に更に進入させやすくすることができる。

なお、液導入空間３８の長さｄ_ｘとは、複数のピラー４０のうち最上流側に位置するピラー４０と、親液部入口壁３４との間の距離をいう。

また、親液部入口流路３２から導入される液体Ｌの液滴径ｒ_ｘとは、親液部入口流路３２に内接する最大球の直径に相当する。すなわち、図４に示すように、親液部入口流路３２の幅ｗ_ａ（Ｙ方向に沿う長さ）が親液部入口流路３２の高さｈ_ａ（Ｚ方向に沿う長さ）より大きい場合、液体Ｌの液滴径ｒ_ｘは、親液部入口流路３２の高さｈ_ａに相当する。逆に、図８に示すように、親液部入口流路３２の高さｈ_ａが親液部入口流路３２の幅ｗ_ａより大きい場合、液体Ｌの液滴径ｒ_ｘは、親液部入口流路３２の幅ｗ_ａに相当する。

（親液部出口流路３３）
親液部出口流路３３は、凹状親液部３０から流出する液体Ｌを疎液部入口流路５２側に搬送するものである。図１および図２に示すように、親液部出口流路３３は、底面３３ａと、底面３３ａから延びる側面３３ｂとを有している。また、親液部出口流路３３の上面は、蓋体１１によって覆われている。この場合、親液部出口流路３３の垂直断面（Ｙ方向に沿う断面）形状は、親液部入口流路３２の垂直断面形状と同一の長方形状となっているが、必ずしもこれに限られるものではない。

（疎液部入口流路５２）
疎液部入口流路５２は、親液部出口流路３３からの液体Ｌを凹状疎液部５０側に搬送するものである。図１および図２に示すように、疎液部入口流路５２は、底面５２ａと、底面５２ａから延びる側面５２ｂとを有している。また、疎液部入口流路５２の上面は、蓋体１１によって覆われている。この場合、親液部出口流路３３と疎液部入口流路５２とは、互いに連結されており、疎液部入口流路５２は、親液部出口流路３３から連続して形成されている。したがって、疎液部入口流路５２の垂直断面形状は、親液部出口流路３３の垂直断面形状と同一となっている。しかしながら、これに限られるものではなく、疎液部入口流路５２と親液部出口流路３３とで、その垂直断面形状が異なっていても良い。

（凹状疎液部５０）
凹状疎液部５０は、マイクロ流路装置１０内を流れる液体Ｌに対して親和性の低い（疎液性をもつ）領域であり、流路本体２０を構成する未加工の基材に対して親和性が低い領域である。この凹状疎液部５０は、底面５７と、底面５７を取り囲むように立設された疎液部外周壁５１とを有している。

このうち疎液部外周壁５１は、上部に疎液部入口流路５２が形成された疎液部入口壁５４と、上部に疎液部出口流路５３が形成された疎液部出口壁５５と、疎液部入口壁５４と疎液部出口壁５５との間に位置する疎液部側壁５６とを有している。疎液部入口壁５４は、凹状疎液部５０の疎液部入口流路５２に接続する側の壁である。また、疎液部出口壁５５は、凹状疎液部５０の疎液部出口流路５３に接続する側の壁である。この場合、疎液部外周壁５１は平面長方形状を有しているが、これに限られるものではなく、円形状、楕円形状、多角形状（例えば、三角形状、台形状、六角形状）等としても良い。

この場合、凹状疎液部５０の幅（Ｙ方向に沿う長さ）は、疎液部入口流路５２の幅（Ｙ方向に沿う長さ）と等しくなっているが、これに限られるものではなく、疎液部入口流路５２の幅と異なっても良い。

また、図１に示すように、凹状疎液部５０の深さ（Ｚ方向に沿う長さ）は、凹状親液部３０の深さ（Ｚ方向に沿う長さ）より浅くなっている。しかしながら、これに限られるものではなく、凹状疎液部５０の深さが、凹状親液部３０の深さと同一の深さであっても良く、または凹状親液部３０の深さよりも浅くても良い。

また、凹状疎液部５０内には、複数のピラー６０が設けられている。各ピラー６０は、底面５７上に突設されるとともに、それぞれ円柱形状を有している。これらのピラー６０の上端６１は、疎液部入口流路５２の底面５２ａおよび疎液部出口流路５３の底面５３ａより下方に位置している。これにより、液体Ｌを疎液部入口流路５２から流入しやすくするとともに、液体Ｌを疎液部出口流路５３から流出させやすくすることができる。

なお、複数のピラー６０は、全体として隣接するピラー６０間に空気を保持できるように形成された微細周期構造を有していれば良く、どのような形状であっても良い。すなわち、各ピラー６０の形状は、円柱形状に限られるものではなく、四角柱形状、楕円柱形状、多角柱形状等としても良い。あるいは、各ピラー６０の形状は、円錐、四角錐、三角錐等の錐形状や、切頭錐形状としても良い。とりわけ、微細加工が施しやすい形状である円柱形状または四角柱形状とすることが好ましい。

また、各ピラー６０は、互いに同一形状を有するとともに、それぞれ均等なピッチｐ_ｙで千鳥状（三角格子状）に配置されている（図９参照）。この場合、複数のピラー６０は、細密充填配置とすることが好ましい。これによりピラー６０間に空気を保持しやすくすることができる。なお、各ピラー６０は、正方格子状に配置されていても良い。

複数のピラー６０のピッチｐ_ｙは、上述した凹状親液部３０のピラー４０のピッチｐ_ｘより大きくなっている。具体的には、ピラー６０のピッチｐ_ｙは、１μｍ以上かつ２０μｍ以下とすることが好ましく、５μｍ以上かつ１５μｍ以下とすることが更に好ましい。ピラー６０のピッチｐ_ｙを上記範囲の値にすることにより、ピラー６０間に空気を確実に保持することができ、凹状疎液部５０の疎液性をより高めることができる。ここで、ピラー６０のピッチｐ_ｙとは、互いに隣接する２つのピラー６０の中心から中心までの平面上の距離をいう。

なお、複数のピラー６０のうち一部のピラー６０が、異なる形状を有しても良く、および／または、異なるピッチｐ_ｙで配置されていても良い。また、ピラー６０の個数は、ピラー６０間に空気を保持する効果が得られれば良い。具体的、ピラー６０は３個以上設けられていれば良く、求められる親液性の度合いによって適宜設定することが可能である。

さらに、図１０に示すように、各ピラー６０の幅ｗ_ｙは、１μｍ以上１０μｍ以下とすることが好ましい。但し、各ピラー６０は、それぞれ０．５以下のアスペクト比を有することが好ましい。これにより、ピラー６０間に空気を確実に保持することができ、凹状疎液部５０の疎液性をより高めることができる。なお、アスペクト比とは、（ピラー６０の高さｈ_ｙ）／（ピラー６０の幅ｗ_ｙ）によって定義される。

ところで、図９に示すように、（Ａ）複数のピラー６０のうち最外周側に位置するピラー６０と、疎液部外周壁５１との間の距離が、いずれも疎液部入口流路５２から導入される液体Ｌの液滴径ｒ_ｙ未満となっている。

具体的には、（Ａ−１）最も上流側に位置するピラー６０と、疎液部入口壁５４との間の距離ｄ_ｙ１が液滴径ｒ_ｙ未満となっている。（Ａ−２）また、最も側面側に位置するピラー６０と、疎液部側壁５６との間の距離ｄ_ｙ２が液滴径ｒ_ｙ未満となっている。（Ａ−３）さらに、最も下流側に位置するピラー６０と、疎液部出口壁５５との間の距離ｄ_ｙ３が液滴径ｒ_ｙ未満となっている。なお、上記（Ａ−２）に関し、凹状疎液部５０の底面５７が湾曲している場合には（図１１参照）、最も側面側に位置するピラー６０と、蓋体１１との距離ｄ_ｙ２が液滴径ｒ_ｙ未満となるようにしても良い。

また、（Ｂ）複数のピラー６０間の距離ｄ_ｙ４が、いずれも液滴径ｒ_ｙ未満となっている（図９参照）。ここでピラー６０間の距離ｄ_ｙ４とは、互いに隣接する２つのピラー６０間の最小距離をいう。

このように、疎液部外周壁５１と複数のピラー６０との間、および複数のピラー６０間には、疎液部入口流路５２から導入される液体Ｌが進入可能な空間が形成されない。これにより、凹状疎液部５０内に流れ込んだ液体Ｌが、凹状疎液部５０の底面５７に接触しないようになっている。このため、ピラー６０間の底面５７に液体Ｌが進入することがなく、液体Ｌと底面５７との間に空気Ａが保持される（図１２参照）。この結果、凹状疎液部５０を疎液性にすることができる。なお、このように微細パターン（すなわち複数のピラー６０）により空気をトラップすることで、疎水性を高めることができることは、Cassie-Baxter理論として知られている。

また、複数のピラー６０のうち最外周側に位置するピラー６０と疎液部外周壁５１との間の距離、および複数のピラー６０間の距離が、いずれも疎液部入口流路５２から導入される液体Ｌの液滴径ｒ_ｙの１／２倍より小さくすることが更に好ましい。これにより、液体Ｌをピラー６０間の底面５７上に確実に進入させないようにすることができる。

また、疎液部入口流路５２から導入される液体Ｌの液滴径ｒ_ｙとは、疎液部入口流路５２に内接する最大球の直径に相当する。この定義は、上述した親液部入口流路３２から導入される液体Ｌの液滴径ｒ_ｘの場合と同様である。

（疎液部出口流路５３）
疎液部出口流路５３は、凹状疎液部５０から流出する液体Ｌを外部に排出するものである。図１および図２に示すように、この疎液部出口流路５３は、底面５３ａと、底面５３ａから延びる側面５３ｂとを有している。また、疎液部出口流路５３の下流側端部には流出口２２が設けられている。疎液部出口流路５３の上面は、蓋体１１によって覆われている。この場合、疎液部出口流路５３の垂直断面（Ｙ方向に沿う断面）形状は、疎液部入口流路５２の垂直断面形状と同一の長方形状となっているが、必ずしもこれに限られるものではない。

なお、このようなマイクロ流路装置１０を構成する流路本体２０は、Wenzel理論に基づいて凹状親液部３０を親液性とするため、液体Ｌに対する接触角が９０°未満の材料から作製されることが好ましい。このような材料のうち、例えば、珪素や二酸化珪素等の無機材料、または、例えばポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）等の合成樹脂材料を用いることが、加工性の観点からは好ましい。流路本体２０が無機材料からなる場合、流路本体２０は、ドライエッチング法又は精密切削加工機を用いる切削加工法により作製されても良い。また、流路本体２０が合成樹脂材料からなる場合、流路本体２０の形状を反転した形状を有する原版を作製し、熱ナノインプリント法又は光ナノインプリント法を用いて原版の形状を基材に転写することにより、流路本体２０を作製しても良い。なお、蓋体１１の材料としては、特に限定されるものではないが、上記材料と同一の材料を挙げることができる。また、ピラー４０、ピラー６０の上面を二酸化珪素で被覆したものであれば、その全体が均一の材料からなっていなくてもよい。たとえば、自然酸化膜で覆われたシリコンウェハでも同様の効果を得ることができる。また、流路本体２０は、その全体が一つの材料から一体的に作製されても良く、あるいは複数の部材を組合せることにより作製されていても良い。

液体Ｌの接触角は、各種方法を用いて測定することが可能である。例えば、液体Ｌが純水である場合、この純水（例えば、液クロマトグラフィー用蒸留水（純正化学株式会社製））１．０μＬの液滴を所定の箇所に滴下し、着滴１秒後に、接触角計（例えば、協和界面科学株式会社製 接触角計 ＤＭ ５００）を用いて、θ／２法に従って静的接触角を測定することにより、その値を得ることができる。

なお、液体Ｌに対して薬剤が溶出することを防止するため、マイクロ流路装置１０のうち、少なくとも液体Ｌが接触する部分（とりわけ親液部入口流路３２、凹状親液部３０、親液部出口流路３３、疎液部入口流路５２、凹状疎液部５０および疎液部出口流路５３）は表面コーティング等の化学処理が行なわれることなく、流路本体２０の材料が露出していることが好ましい。

また、マイクロ流路装置１０内を流れる液体Ｌは、典型的には水であるが、これに限定されるものではない。例えば試薬、検査薬等、水を主成分とする水系の液体であっても良い。あるいは、ｎ−ヘキサデカン等の油系の液体であっても良い。なお、マイクロ流路装置１０は、液体Ｌの流れを正確に制御することが求められる流路、例えば医療用のマイクロ流路として用いることができる。

（本実施の形態の作用）
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。

図１および図２に示すマイクロ流路装置１０において、まず液体Ｌを外部から流入口２１に導入する。流入口２１に導入された液体Ｌは、疎液部入口流路５２を通過して凹状親液部３０に達する。

このように液体Ｌがマイクロ流路装置１０内を移動する際、液体Ｌには外部から（相対的に弱い）第１の外力が加わる。このような第１の外力としては、流出口２２からの吸引力、あるいはマイクロ流路装置１０全体に加わる重力や遠心力等を挙げることができる。

凹状親液部３０に達したとき、液体Ｌは液導入空間３８に流れ込む。上述したように、液導入空間３８の長さは、親液部入口流路３２から導入される液体Ｌの液滴径ｒ_ｘ以上となっている。このため、液体Ｌは、液導入空間３８に導入された際、底面３７に接触する。次いで、液体Ｌは、ピラー４０間の底面３７を伝わって、凹状親液部３０内を下流側に向けて流れる。この場合、凹状親液部３０は親液性を有しているので、液体Ｌは凹状親液部３０内をスムーズに流れていく。

次に、液体Ｌは、第１の外力によって凹状親液部３０から親液部出口流路３３に流出する。その後、液体Ｌは、さらに親液部出口流路３３から疎液部入口流路５２を通過し、疎液部入口流路５２の下流側端部（凹状疎液部５０の入口）に達する。

ところで、上述したように、凹状疎液部５０において、複数のピラー６０のうち最外周側に位置するピラー６０と疎液部外周壁５１との間の距離、および複数のピラー６０間の距離が、いずれも疎液部入口流路５２から導入される液体Ｌの液滴径ｒ_ｙ未満となっている。これにより、液体Ｌは、凹状疎液部５０内に流れ込みにくくなっている。このように、凹状疎液部５０は疎液性を有しているため、液体Ｌは（相対的に弱い）第１の外力程度では凹状疎液部５０内に流れ込むことが不可能である。このため、液体Ｌは疎液部入口流路５２の下流側端部で留まり、凹状疎液部５０内には流れ込まない（図１の符号Ｌ_ａ参照）。

次に、マイクロ流路装置１０内の液体Ｌに第１の外力より強い第２の外力が加わることを想定する。このような第２の外力としては、上述した第１の外力と同様、流出口２２からの吸引力、あるいはマイクロ流路装置１０全体に加わる重力や遠心力等を挙げることができる。

このように第２の外力が加わったとき、液体Ｌは、凹状疎液部５０内に流れ込む。この際、液体Ｌは、ピラー６０間の底面５７に接触することなく、ピラー６０間に空気を保持した状態で、ピラー６０上を伝わって凹状疎液部５０内を下流側に流れる。このように、凹状疎液部５０は疎液性を有しているので、液体Ｌは、（相対的に強い）第２の外力が加わることによって、凹状疎液部５０内を流れることができる。

次に、液体Ｌは、第２の外力によって凹状疎液部５０から疎液部出口流路５３に向けて流出し、その後、流出口２２から外部に流出する。

このように、本実施の形態によれば、一定以上の強さの外力（第２の外力）が加わった場合にのみ、凹状親液部３０側から凹状疎液部５０側に液体Ｌを流すことができるので、マイクロ流路装置１０が流路中のバルブとしての機能を果たすことができる。

また、本実施の形態によれば、化学処理を行うことなく、材料を微細加工することによって、流路本体２０に親水性の凹状親液部３０と疎水性の凹状疎液部５０との両方を設けることが可能となる。これにより、マイクロ流路装置１０内での液体Ｌの流動制御が容易となる。また、液体Ｌが接触する部分に表面コーティング等の化学処理を行う必要がないので、液体Ｌに薬剤が溶出するおそれもない。

上述したように、凹状親液部３０には複数のピラー４０が設けられている。これら複数のピラー４０のうち最上流側に位置するピラー４０と、親液部入口壁３４との間の距離（液導入空間３８の長さｄ_ｘ）は、親液部入口流路３２に内接する最大球の直径（液滴径ｒ_ｘ）以上となっている。これにより、凹状親液部３０内に流れ込んだ液体Ｌが、底面３７に確実に接触するため、凹状親液部３０の親液性を高めることができる（Wenzel理論）。

また、凹状疎液部５０内には複数のピラー６０が設けられている。これら複数のピラー６０のうち最外周側に位置するピラー６０と疎液部外周壁５１との間の距離、および複数のピラー６０間の距離は、いずれも疎液部入口流路５２に内接する最大球の直径（液滴径ｒ_ｙ）未満となっている。これにより、凹状疎液部５０内に流れ込んだ液体Ｌが底面５７に接触しないため、液体Ｌと底面５７との間に空気Ａが保持され、凹状疎液部５０内を疎液性にすることができる（Cassie-Baxter理論）。

（マイクロ流路装置の変形例）
次に、図１３乃至図１８を参照して本発明の各種変形例について説明する。図１３乃至図１８は、本発明の各種変形例を示す図である。図１３乃至図１８において、図１乃至図１２に示す実施の形態と同一部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図１３において、マイクロ流路装置１０Ａは、凹状親液部３０を有している。一方、マイクロ流路装置１０Ａは、図１乃至図１２に示す形態と異なり、凹状疎液部５０を有していない。この凹状親液部３０内には複数のピラー４０が設けられている。この場合、複数のピラー４０のうち最上流側に位置するピラー４０と、親液部入口壁３４との間の距離が、親液部入口流路３２に内接する最大球の直径（液滴径ｒ_ｘ）以上となっている。なお、凹状親液部３０の構成は、上述した実施の形態と同一である。

図１４において、マイクロ流路装置１０Ｂは、凹状疎液部５０を有している。一方、マイクロ流路装置１０Ｂは、図１乃至図１２に示す形態と異なり、凹状親液部３０を有していない。この凹状疎液部５０内には複数のピラー６０が設けられている。この場合、複数のピラー６０のうち最上流側に位置するピラー６０と、疎液部外周壁５１との間の距離、および複数のピラー６０間の距離が、いずれも疎液部入口流路５２に内接する最大球の直径（液滴径ｒ_ｙ）未満となっている。なお、凹状疎液部５０の構成は、上述した実施の形態と同一である。

図１５において、マイクロ流路装置１０Ｃは、上流側に位置する第１の凹状親液部３０Ａと、第１の凹状親液部３０Ａの下流側に位置する凹状疎液部５０と、凹状疎液部５０の下流側に位置する第２の凹状親液部３０Ｂとを有している。また、第１の凹状親液部３０Ａの下流側の親液部出口流路３３と、凹状疎液部５０の上流側の疎液部入口流路５２とが、互いに連結されている。さらに、凹状疎液部５０の下流側の疎液部出口流路５３と、第２の凹状親液部３０Ｂの上流側の親液部入口流路３２とが、互いに連結されている。

なお、第１の凹状親液部３０Ａおよび第２の凹状親液部３０Ｂの構成は、それぞれ上述した凹状親液部３０の構成と同様である。また、図１５において、矢印は液体Ｌの流れ方向を示している。

図１５において、第１の凹状親液部３０Ａを、液体Ｌを貯留する液だめとして用い、第２の凹状親液部３０Ｂを、液体Ｌを廃棄する廃液槽として用いることができる。また、凹状疎液部５０は、バルブとしての役割を果たす。このような構成において、液体Ｌに対して所定の閾値を上回る外力を加えた場合、液体Ｌは、液だめ（第１の凹状親液部３０Ａ）からバルブ（凹状疎液部５０）を通過して廃液槽（第２の凹状親液部３０Ｂ）に流れる。すなわち、マイクロ流路装置１０Ｃは、バルブ流路としての機能を果たすことができる。

図１６において、マイクロ流路装置１０Ｄは、上流側に位置する凹状疎液部５０と、凹状疎液部５０の下流側に位置する凹状親液部３０とを有している。また、凹状疎液部５０の下流側の疎液部出口流路５３と、凹状親液部３０の上流側の親液部入口流路３２とは、互いに連結されている。なお、図１６において、矢印は液体Ｌの流れ方向を示している。

図１６において、凹状疎液部５０を、液体Ｌを貯留する液だめとして用い、凹状親液部３０を、液体Ｌを廃棄する廃液槽として用いることができる。このような構成において、液体Ｌは、液だめ（凹状疎液部５０）から疎液部出口流路５３および親液部入口流路３２を通過して廃液槽（凹状親液部３０）に流れ込む。この場合、液体Ｌに対してほとんど外力を加えることなく、液体Ｌを液だめ（凹状疎液部５０）から廃液槽（凹状親液部３０）に流すことができる。

図１７に示すマイクロ流路装置１０Ｅにおいて、凹状親液部３０に、親液部入口流路３２の機能と親液部出口流路３３の機能とを兼用する１つの流路（親液部流路３９）が連結されている。この場合、複数のピラー４０のうち最上流側に位置するピラー４０と、親液部外周壁３１との間の距離が、親液部流路３９に内接する最大球の直径（液滴径）以上となっている。

図１８に示すマイクロ流路装置１０Ｆにおいて、凹状疎液部５０に、疎液部入口流路の機能５２と親液部出口流路５３の機能とを兼用する１つの流路（疎液部流路５９）が連結されている。この場合、複数のピラー６０のうち最外周側に位置するピラー６０と、疎液部外周壁５１との間の距離、および複数のピラー６０間の距離が、いずれも疎液部流路５９に内接する最大球の直径（液滴径）未満となっている。

１０ マイクロ流路装置
１１ 蓋体
２０ 流路本体
２１ 流入口
２２ 流出口
３０ 凹状親液部
３１ 親液部外周壁
３２ 親液部入口流路
３３ 親液部出口流路
３４ 親液部入口壁
３５ 親液部出口壁
３６ 親液部側壁
３７ 底面
３８ 液導入空間
４０ ピラー
５０ 凹状疎液部
５１ 疎液部外周壁
５２ 疎液部入口流路
５３ 疎液部出口流路
５４ 疎液部入口壁
５５ 疎液部出口壁
５６ 疎液部側壁
５７ 底面
６０ ピラー

Claims (12)

1. 液体の流れを制御するマイクロ流路装置であって、
   親液部入口壁と親液部出口壁とを含む親液部外周壁と、
   前記親液部外周壁により規定された凹状親液部と、
   前記親液部入口壁の上部に形成された親液部入口流路と、
   前記親液部出口壁の上部に形成された親液部出口流路と、
   疎液部入口壁と疎液部出口壁とを含む疎液部外周壁と、
   前記疎液部外周壁により規定された凹状疎液部と、
   前記疎液部入口壁の上部に形成された疎液部入口流路と、
   前記疎液部出口壁の上部に形成された疎液部出口流路とを備え、
   前記凹状親液部内には複数のピラーが設けられ、
   前記凹状親液部の前記複数のピラーのうち最上流側に位置するピラーと、前記親液部入口壁との間の距離が、前記親液部入口流路に内接する最大球の直径以上となっており、
   前記凹状疎液部内には複数のピラーが設けられ、
   前記凹状疎液部の前記複数のピラーのうち最外周側に位置するピラーと、前記疎液部外周壁との間の距離、および前記凹状疎液部の前記複数のピラー間の距離が、いずれも前記疎液部入口流路に内接する最大球の直径未満となっており、
   前記親液部出口流路と前記疎液部入口流路とが互いに連結されているか、又は、前記疎液部出口流路と前記親液部入口流路とが互いに連結されていることを特徴とするマイクロ流路装置。
2. 前記凹状親液部の各前記ピラーの上端は、前記親液部入口流路の底面および前記親液部出口流路の底面より下方に位置することを特徴とする請求項１記載のマイクロ流路装置。
3. 前記凹状親液部の各前記ピラーは、それぞれ１μｍ未満のピッチで配列されていることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロ流路装置。
4. 前記凹状親液部の各前記ピラーは、それぞれ０．５より大きいアスペクト比を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載のマイクロ流路装置。
5. 前記凹状疎液部の各前記ピラーの上端は、前記疎液部入口流路の底面および前記疎液部出口流路の底面より下方に位置することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載のマイクロ流路装置。
6. 前記凹状疎液部の各前記ピラーは、それぞれ１μｍ以上かつ２０μｍ以下のピッチで配列されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載のマイクロ流路装置。
7. 前記凹状疎液部の各前記ピラーは、それぞれ０．５以下のアスペクト比を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項記載のマイクロ流路装置。
8. 液体の流れを制御するマイクロ流路装置であって、
   親液部入口壁と親液部出口壁とを含む親液部外周壁と、
   前記親液部外周壁により規定された凹状親液部と、
   前記親液部入口壁の上部に形成された親液部入口流路と、
   前記親液部出口壁の上部に形成された親液部出口流路とを備え、
   前記凹状親液部内には複数のピラーが設けられ、
   前記複数のピラーのうち最上流側に位置するピラーと、前記親液部入口壁との間の距離が、前記親液部入口流路に内接する最大球の直径以上となっていることを特徴とするマイクロ流路装置。
9. 液体の流れを制御するマイクロ流路装置であって、
   疎液部入口壁と疎液部出口壁とを含む疎液部外周壁と、
   前記疎液部外周壁により規定された凹状疎液部と、
   前記疎液部入口壁の上部に形成された疎液部入口流路と、
   前記疎液部出口壁の上部に形成された疎液部出口流路とを備え、
   前記凹状疎液部内には複数のピラーが設けられ、
   前記複数のピラーのうち最外周側に位置するピラーと、前記疎液部外周壁との間の距離、および前記複数のピラー間の距離が、いずれも前記疎液部入口流路に内接する最大球の直径未満となっていることを特徴とするマイクロ流路装置。
10. 液体の流れを制御するマイクロ流路装置であって、
    親液部外周壁と、
    前記親液部外周壁により規定された凹状親液部と、
    前記親液部外周壁の上部に形成された親液部流路とを備え、
    前記凹状親液部内には複数のピラーが設けられ、
    前記複数のピラーのうち最上流側に位置するピラーと、前記親液部外周壁との間の距離が、前記親液部流路に内接する最大球の直径以上となっていることを特徴とするマイクロ流路装置。
11. 液体の流れを制御するマイクロ流路装置であって、
    疎液部外周壁と、
    前記疎液部外周壁により規定された凹状疎液部と、
    前記疎液部外周壁の上部に形成された疎液部流路とを備え、
    前記凹状疎液部内には複数のピラーが設けられ、
    前記複数のピラーのうち最外周側に位置するピラーと、前記疎液部外周壁との間の距離、および前記複数のピラー間の距離が、いずれも前記疎液部流路に内接する最大球の直径未満となっていることを特徴とするマイクロ流路装置。
12. 前記液体に対する接触角が９０°未満となる材料から作製されたことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項記載のマイクロ流路装置。

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