JP3616807B2

JP3616807B2 - 微小蛍光粒子を用いた電気浸透流計測法

Info

Publication number: JP3616807B2
Application number: JP2002130775A
Authority: JP
Inventors: 洋平佐藤; 靖二郎稲葉; 昌信前田; 公一菱田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Keio University
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Keio University
Priority date: 2002-05-02
Filing date: 2002-05-02
Publication date: 2005-02-02
Anticipated expiration: 2022-05-02
Also published as: JP2003322659A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マイクロチャネル内における微小領域速度計測に使用することのできる微小蛍光粒子を用いた電気浸透流計測法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
少ない量の試料を用いて分析を行うためや反応生成物を調べるために、マイクロチャネルが用いられている。このマイクロチャネルは、微細加工技術を用いてガラスなどの基板上に作られる。その、マイクロチャネル内部には、微量な流体が流されるが、微小空間における流体現象を利用して、微量な試料の分離や混合を効果的に行うことが可能である。しかし、多くの場合、マイクロチャネル内部では、非定常な流れとなるため、これらの流体を用いたマイクロデバイスの更なる高効率化・高精度化のためには、内部の流れを詳細に捉える必要がある。
【０００３】
このような速度計測手法としては多数存在するが、マイクロチャネル内部での速度計測には、粒子画像流速計（ＰＩＶ; Particle Image Velocimetry）が利用できることが知られている。この計測方法は、例えば、トレーサ粒子を連続して撮像した２枚の画像からトレーサ粒子の移動距離を計測し、撮像時間差で除して流速とするものである。この撮像においては、連続光源とテレビカメラなどの時間分解可能な撮像装置の組み合わせや、パルス光源と写真乾板あるいはテレビカメラの組み合わせが使われる。
【０００４】
また、マイクロチャネルに適用可能なＰＩＶ（マイクロＰＩＶ）は、文献１（Santiago, J. G., ほか4 名, Exp. in Fluids, 25(1998), 316）に記載されている。このＰＩＶは、顕微鏡を用いてＰＩＶを微小空間における速度計測に適用したものである。
【０００５】
通常、流体の流れは流路注入口と排出口の圧力差が駆動力となり生じる。しかし、微小空間においては、この圧力駆動流(pressure-driven flow)だけでなく電気浸透流(electroosmotic flow)という界面動電現象(electrokinetic phenomena)を駆動力とした流れが存在することが知られている。微小空間において、通常の圧力駆動流の速度を計測するときは、マイクロ粒子画像流速計（マイクロＰＩＶ）や局所空間平均粒子追跡法（ＳＡＴ−ＰＴＶ）で計測が可能である。しかし、マイクロチャネルに満たされた溶媒と溶液中に含まれる物質は、界面動電現象である電気泳動や電気浸透流により駆動される。このため、正確な電気浸透流速を得るためには、電気泳動による影響を除外する必要がある。
【０００６】
また、マイクロチャネルでの溶液の速度を見るためには、一般にトレーサ粒子や多数のトレーサ粒子からなる濃淡像（ゾーン）の移動を観測してその流速が求められる。しかし、トレーサ粒子として用いられる色素のゾーン先端の乱雑な形状変化があり、これによる流速分布が観測され、一意に決まらない旨報告されている。そのため、界面動電現象による流れ場の詳細な解明が求められている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記した様に、マイクロチャネルに満たされた溶媒と溶液中に含まれる物質は、界面動電現象である電気泳動や電気浸透流により駆動される。このため、正確な電気浸透流速を得るためには、これらの影響を除外する必要がある。
【０００８】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、正確な電気浸透流速を得るために、従来の電気泳動による流速からトレーサ粒子の電気泳動による流速を除外する方法を提供することを目的とする。
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明における第１の発明は、微小蛍光粒子を用いた電気浸透流計測法に関しており、あらかじめ決められた時間間隔をおいて流体に混入した微小蛍光粒子を撮像し、その微小蛍光粒子像の移動速度から、電気浸透流の速度を計測する計測方法であって、電気泳動による微小蛍光粒子像の速度を計測セル内のマイクロチャネルで計測するステップと、その速度を電気泳動用の電場が印加された前記のマイクロチャネルにおける微小蛍光粒子像の移動速度から差し引くステップとを備えることを特徴とする微小蛍光粒子を用いた電気浸透流計測法において、電気浸透流の方向をＸ方向、セルの下向き方向をＺ方向とし、Ｘ方向Ｚ方向と直交する方向をＹ方向とするとき、（１）マイクロチャネルの定常状態の流れについて、予め決められた複数回に渡りマイクロＰＩＶで計測して複数のｘ−ｙ分布を求め、前記の複数のｘ−ｙ分布からその時間平均のｘ−ｙ分布を求めるステップと、（２）前記の時間平均のｘ−ｙ分布から、上記の分割されたそれぞれの部分の上記の電気泳動による微小蛍光粒子像の速度のｘ−ｙ分布を差し引くステップとを備え、（３）上記の時間平均は、撮像カメラで撮像して得られる時系列的に連続した複数枚の画像から得られる上記の定常状態の流れのｘ−ｙ分布について行うことを特徴としている。
【００１０】
また、本発明における第２の発明は、Ｚ方向から見て深さの異なる複数の部分について計測することを特徴としている。
【００１１】
また、本発明における第３の発明は、Ｚ方向から見て深さの異なる複数の部分について計測する際に、前記の複数の部分から特定の部分を順次選択して計測するが、上記の順次選択する方法は、顕微鏡の焦点を合わせる操作をすることにより選択する方法であることを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態を示すための計測装置の模式図である。図１の計測装置は、対物レンズ下のマイクロチャネルを顕微鏡（Nikon、E800）を用いて観察するものである。この計測装置に用いるトレーサ粒子には流路の微小化に対応するため直径の小さいものを選定し、波長以下の径をもつ粒子の位置検出が容易となるように、蛍光剤を含むポリスチレン粒子（Duke Scientific Co.）を使用する。
【００１３】
電気泳動による粒子速度の測定には、図２（ａ）に平面図を（ｂ）に断面図を示す流路５と液溜め６からなる密閉されたセルを使用し、その流路５内の粒子速度を計測した。この密閉されたセルは、ソフトリソグラフィにより作成され、流路５となる溝側にＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）板１を、蓋２にガラスを用いた。側壁の影響を無視できるようにするために、セルの形状はアスペクト比ｋ（＝幅／深さ）をｋ＝３８．５と大きくとった構造とした。液溜め中間部の流路のトレーサ粒子の移動を観測したが、このトレーサ粒子は蛍光剤を含む直径４００ｎｍのポリスチレンであり、これを原液で使用した。
【００１４】
図２（ａ）の両端の白金電極３、４に電圧を印加し、その電界（１０Ｖ／ｃｍ）で電気浸透流を発生させた。この電気浸透流は、図３に示すように、壁面近傍に電気二重層が形成されこの分極した流体が電界で移動することが駆動力となり、壁面近傍に一方向に流れが生じることで起こることが知られている。また、密閉されたセル内ではその流れを補償するためにセル中心部で逆方向の流れが生じ、電気泳動が生じることが知られている。これらの流れは還流となり、この還流が形成され定常状態であるときに、計測面を高さ方向（ｚ方向）に順次変えてマイクロＰＩＶにより計測することで、１１面の速度分布計測を行った。
【００１５】
一般に、粒子画像流速計（ＰＩＶ）はトレーサ粒子が流体に完全に追従するという仮定のもとで、流体の速度を計測する手法である。また、一般に、界面動電現象による流れ場において、ＰＩＶにより計測される粒子速度ｕ_obsは数１のように電気浸透流ｕ_eoと電気泳動ｕ_epの合成されたものとなるため、流体自身の流れである電気浸透流ｕ_eoのみを計測することは困難である。
【００１６】
【数１】

本発明は、電気泳動による粒子速度ｕ_epと粒子速度ｕ_obsを求めることにより電気浸透流ｕ_eoを求めるものである。
【００１７】
測定にあたっては、トレーサ粒子のブラウン運動の影響を取り除くために、連続した１００枚の速度分布を平均し、さらに空間的にも平均することで１つのｘ−ｙ平面における、みかけの粒子速度ｕ_obs（電気泳動と電気浸透流による合成速度）を求めた。また、負電極側への流れを正方向とし、ｘ方向の速度をｕとして、セルの下向き方向（ｚ方向）１１面の位置における計測された粒子速度の一例を図４に示す。上下壁面付近で材質の違いによる電気浸透流の大きさの差と、セル中心部での還流とが観測される。ここで、文献１（森、岡本、浮選、２７−３（１９８０）、１１７−１２６頁）に従ってトレーサ粒子の速度を算出するために、セルの上面の速度ｕ₁と下面の速度ｕ₂を用いて速度ｕを無次元化し、深さ（ｚ方向）２ｂのセルの深さ中心を原点に座標変換して位置座標ｚを無次元化する。
【００１８】
【数２】

【００１９】
図４の速度分布をこの無次元化されたｕ^*、ｚ^*を用いて、最小二乗法で２次の近似曲線
【数３】

を求めると数４のようになる。
【００２０】
【数４】

Ｋ₀＝−２．０３０９、Ｋ₂＝２．５３１２、また、セルのアスペクト比ｋ＝３８．５を次式に代入すると、文献１に記載された式（数５）から電気泳動による粒子速度ｕ_epが求まり、粒子の１０Ｖ／ｃｍの電界における泳動速度は−３６．２μｍ／ｓとなる。
【００２１】
【数５】

また、正電極側へ力を受けていることから、粒子が負に帯電していることが分かる。
【００２２】
この様に、初めに密閉されたセルを用いて電気泳動による粒子速度を算出しておき、以下に説明するマイクロＰＩＶにより計測された速度分布から差し引くことで電気浸透流の速度分布を得ることが可能である。
【００２３】
次に、マイクロＰＩＶにより、マイクロチャネル内の電気浸透流の速度分布計測によって電気浸透流の３次元速度分布計測を行う実施形態を示す。ここで用いたマイクロチャネルは、図５に示す全長３５μｍ、幅１００μｍ、深さ３０μｍのもので、これは、ＰＤＭＳ及びガラスを用いてソフトリソグラフィにより製作した。トレーサには先に述べたものと同様に、直径４００ｎｍのポリスチレン蛍光粒子を用いた。測定においては、マイクロチャネル両端の水面の高さを等しくして水面差による流れを取り除いた後、流路両端の白金電極に電圧を印加して１０Ｖ／ｃｍの電界による電気浸透流の速度計測を行った。計測に当たっては、定常状態の流れを対象とし、マイクロＰＩＶで計測した結果を１００枚にわたり時間平均することにより、トレーサ粒子のブラウン運動が速度計測に与える影響を抑制した。さらに、このマイクロＰＩＶで計測した粒子速度から上記の電気泳動による粒子速度を差し引いて電気浸透流の速度とした。
【００２４】
さらに電気浸透流の速度を３次元的に評価する例として、マイクロチャネルの断面を図５（ｃ）に示す様に、その流路上部ｚ＝１μｍ、中心ｚ＝１５μｍ、下部ｚ＝２９μｍのｘ−ｙ平面において計測した電気浸透流の速度分布を図６に示す（レイノルズ数Ｒｅ＝７×１０^-3）。この計測においては、顕微鏡の焦点を上記のそれぞれの位置に合わせることで、それぞれの計測位置を設定している。ここで、特に図６（ｉｉ）を見ると流路中心では逆放物線の形状が観察されている。これは、壁面近傍で駆動力が生じていることに起因している。また、図６（ｉ）、あるいは図６（ｉｉｉ）に示される流路壁面近傍における流速分布は、栓流に近い形状を示した。図６に示された電気浸透流の流速分布はすでに報告された結果と同様の形状をしており、本発明の方法による電気浸透流の速度分布計測法に誤りはないことがわかる。
【００２５】
また、図６の結果を３次元表示すると図７に示すようになる。このように、サブミクロン蛍光粒子を用いたマイクロＰＩＶにより、電気浸透流の３次元速度分布を定量的に捉えることが可能となった。また、図７に示すような微細構造が明らかになることにより、図７の各地点の流速を、単純平均、あるいは重み付けを行った平均を算出することにより、マイクロチャネルの流量を容易に算出できることは明らかである。また、上記の計測条件において、空間分解能は８．４×８．４×２．５μｍであった。このように、内部の流体を界面動電現象によって流すマイクロ流体デバイスの微細なチャネルにおける電気浸透流の３次元構造を解明するために、本発明は非常に有効である。
【００２６】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
【００２７】
この発明では、電気泳動による微小蛍光粒子の速度を計測セル内のマイクロチャネルで計測し、その速度を前記の電気泳動用の電場が印加されたマイクロチャネルにおけるトレーサ粒子の移動速度から差し引くようにしたので、液体の電気浸透流を正しく評価できる様になる。
【００２８】
また、この発明では、液体の電気浸透流の微細構造を正しく評価できる様になり、マイクロチャネルの流量を容易に評価できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】顕微鏡を用いた測定システムの模式図である。
【図２】マイクロチャネルの模式図である。
【図３】マイクロチャネル中の還流を示す模式図である。
【図４】マイクロチャネル中の還流の横方向の流れの測定例を示す図である。
【図５】マイクロチャネルの模式図である。
【図６】マイクロチャネル中の還流の横方向の流れの縦方向の分布の測定例を示す図である。
【図７】マイクロチャネル中の還流の測定結果を次元表示した例を示す図である。
【符号の説明】
１ＰＤＭＳ板
２ガラス板
３、４白金電極
５流路
６液体溜め

Claims

あらかじめ決められた時間間隔をおいて流体に混入した微小蛍光粒子を撮像し、その微小蛍光粒子像の移動速度から、電気浸透流の速度を計測する計測方法であって、電気泳動による微小蛍光粒子像の速度を計測セル内のマイクロチャネルで計測するステップと、その速度を電気泳動用の電場が印加された前記のマイクロチャネルにおける微小蛍光粒子像の移動速度から差し引くステップとを備えることを特徴とする微小蛍光粒子を用いた電気浸透流計測法において、電気浸透流の方向をＸ方向、セルの下向き方向をＺ方向とし、Ｘ方向Ｚ方向と直交する方向をＹ方向とするとき、
（１）マイクロチャネルの定常状態の流れについて、予め決められた複数回に渡りマイクロＰＩＶで計測して複数のｘ−ｙ分布を求め、前記の複数のｘ−ｙ分布からその時間平均のｘ−ｙ分布を求めるステップと、
（２）前記の時間平均のｘ−ｙ分布から、上記の分割されたそれぞれの部分の上記の電気泳動による微小蛍光粒子像の速度のｘ−ｙ分布を差し引くステップとを備え、
（３）上記の時間平均は、撮像カメラで撮像して得られる時系列的に連続した複数枚の画像から得られる上記の定常状態の流れのｘ−ｙ分布について行う
ことを特徴とする微小蛍光粒子を用いた電気浸透流計測法。
Ｚ方向から見て深さの異なる複数の部分について計測することを特徴とする請求項１に記載の微小蛍光粒子を用いた電気浸透流計測法。
Ｚ方向から見て深さの異なる複数の部分について計測する際に、前記の複数の部分から特定の部分を順次選択して計測するが、上記の順次選択する方法は、顕微鏡の焦点を合わせる操作をすることにより選択する方法であることを特徴とする請求項２に記載の微小蛍光粒子を用いた電気浸透流計測法。