JP3791999B2 - 液体微粒子ハンドリング装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液体微粒子取り扱い装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年，一枚または複数の基板の上に微細化した流路・反応槽・検出器などを集積化して，入口から導入した化学物質の分析・同定・モニタリングなどを行うμ-TAS (micro-Total Analysis System) などと呼ばれるシステムが実用化されようとしている。μ-TASにおいては，マイクロマシーニングの技術が，流路や反応槽などの構造を形成するのみならず，送液のためのマイクロポンプ・マイクロバルブや，反応炉のマイクロヒーター，温度・圧力・pHなどの測定のためのディテクター，光学的検出のための光ファイバーのフィッティングなどに有効に用いられている。
μ-TASは，装置を構成する要素が自体が小型で，かつ全体が一体化して作られるため，1) 分析対象の試料や反応試薬が微小で済む，2) 反応に要する時間が短い，3) 信頼性が高い，4) コストも安くできる，などの特長を有する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，現在提案・開発されているμ-TASには，下記のようないくつかの解決すべき技術的問題点がある。
1) 連続した流路の中に試料・バッファー・反応試薬を流す形式のものであるので，例えば長い反応時間を有する反応を起こすための反応槽は，必然，長い管となる。
2) たとえば電気泳動やクロマトグラフィーにおいて分離管にパルス状に試料を注入する場合などには，バルブに低いリーク率と高いコンダクタンスが要求される。このようなバルブは必然的に複雑な構造であり，μ-TAS実現のための最大の開発要素となっている。
3) バルブに代わるものとして，単なる分岐を用いて，電気浸透により溶液の注入を制御する方法も提案されているが，この手法においては，リークの制御が困難である。
4) システム全体をマイクロ化することによりデッドボリューム（無効体積）も微小になると主張されているが，系をそのままスケールダウンしただけでは，その絶対値は小さくなるものの，反応系全体の体積に対する割合は小さくならない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明においては，疎水表面上に置かれた液体が球形に近い形の液滴となることを利用し，試料および試薬を疎水表面上での液滴として取り扱い，これを電極列に電圧を印加することにより駆動し，輸送・振り分け・混合などを行う。
【０００５】
【実施例】
図１は，本発明の微粒子ハンドリング装置による液滴の輸送の実施例である。この例では，基板の上に，そのピッチを液滴直径よりも小さくとった６相の電極列が設けられ，その上面には疎水性コーティングが施されている。一般に固体表面に置かれた液滴は，表面と液との親和性で決まるある接触角をもって表面と接触する。表面が疎水性であれば，接触角は90度より大きくなる。さらに，表面が十分に疎水性であれば，接触角は大きくなり，蓮の葉の上の露のように液滴はほぼ球形となる。接触角が90度より大きい状態で，液滴近傍にある電極の一つに電圧を印加すると，液滴と電極の間に電気力線が発生し，その結果として液滴は電圧を印加した電極に向かって引き寄せられる。電極列に順次に電圧を印加して行けば，液滴はこれにつれて輸送される。駆動の原理は，液滴に誘導される電荷と外部電界の相互作用，すなわち誘電泳動であり，液滴に電荷が誘導される限りにおいては，液滴の導電性にかかわらず液滴は駆動される。なお，電極のピッチが液滴直径より大きい場合は，粒子全体が電極の作る電界の中に入り込んでしまうため，有効な駆動は行えない。
【０００６】
表面が金属の電極やガラスのように親水性である場合には，接触角は90度より小さくなり，液滴は表面上にレンズ状に広がってしまい，有効な駆動力が得られない。すなわち，有効な駆動は，本発明の疎水性表面においてのみ得られる。十分な疎水性表面を得るための手段としては，表面のテフロンコーティング，シランカプラーを用いた表面のフルオロカーボン化あるいはアルキル化，パラフィンあるいはワックスによるコーティングなどが例示される。さらに，図２のように，表面に縦横比の大きい凹凸面を加工すれば，液滴は凸面の上部のみで表面と接触するため，表面との相互作用がより小さくなり，駆動がより容易になる。これに加え，この凸構造は，接触面積を小さくするため，液滴中の溶質の表面への吸着を極小化する効果もある。
【０００７】
図３は，本発明の微粒子ハンドリング装置による液滴の振り分けと融合の装置の実施例である。この装置は，独立に電圧を印加できるAおよびBで示された2組の12相の電極列と，液滴をガイドするための溝からなる。この装置を作成する手法としては，ガラス基板上に蒸着した金属箔をフォトリソグラフィーによりパターン化，その上から感光性樹脂を塗布しフォトリソグラフィーによりガイド溝を形成し，最後に全体にアモルファステフロンコーティングを施す手法等が例示される。ポートZに始まるガイド溝は，装置中央で分岐し，ポートXおよびYにつながる。ポートZに置かれた液滴は，A,Bいずれかの電極列を電極1から12の順で順次励起していくことにより，ポートXまたはYへと導かれる。逆に，ポートXおよびYに置かれた液滴は，A,B両方の電極列を電極12から1の順で励起していくことにより，分岐部分で接触し，融合する。
【０００８】
図４は，上記の本発明になる微粒子ハンドリング装置による輸送・振り分け・融合を，微量化学反応装置に応用した例である。この例では，入口より導入された試料液滴に対し，２種類の反応試薬を加えた後，２つある出口の何れかへと導く。液滴同士は接触させると容易に融合するので，試料や試薬の混合は，２つの通路の合流点で液滴を接触させることにより行う。時間のかかる反応を行う場合には，試薬を加えた後，電極に印加する電圧のスイッチングを一時停止し，単に放置しておけばよい。図２で例示されたような分岐を作れば，液滴をいずれかの通路へと振り分けることができる。試料および試薬は独立した液滴として扱われるため，試料・試薬のリークや不必要な混合が生じる恐れはない。
【０００９】
微小液滴は蒸発しやすいが，液滴の通路に適当なカバーをつけ閉鎖構造にすることにより蒸発は容易に防止できる。管路の断面が液滴より小さい場合には図に示すように液滴は変形するが，このような場合でも管路内面が疎水性であれば液滴と表面には90度より大きい接触角が形成されるので，本発明になる電界による駆動の効果には変わりがない。
【００１０】
【発明の効果】
本発明による液体微粒子ハンドリング装置によれば，構造が簡単で，デッドボリュームがなく，ポンプ・バルブも不要で，試料・試薬の混合やリークの問題もなく，かつ長時間を要する反応に対しても，単に液滴を放置するだけで済むという特長を有する微量化学反応・分析装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【 図１】本発明の微粒子ハンドリング装置による液滴の輸送の実施例を示す図である。
【 図２】表面に凹凸面を持つ疎水表面を表す図である。
【 図３】本発明による液滴の振り分けと融合の装置の実施例を示す図である。
【 図４】本発明による微量化学反応装置を示す図である。
【 図５】本発明による管路タイプの液滴輸送装置を示す図である。
【符号の説明】
１ 液滴
２ 疎水性表面コーティング
３ 電極
４ 基板
５ 接触角
６ 電気力線
７ 駆動力
８ 疎水性凹凸面
９ 液滴ガイド溝
１０ ポートＺ
１１ ポートＸ
１２ ポートＹ
１３ 電極列Ａ
１４ 電極列Ｂ
１５ 電極Ａ１
１６ 電極Ａ１２
１７ 電極Ｂ１
１８ 電極Ｂ１２
１９ 試料液滴入口
２０ 試薬液滴入口１
２１ 試薬液滴入口２
２２ 融合領域１
２３ 融合領域２
２４ 出口Ａ
２５ 出口Ｂ
２６ 管路
２７ 変形された液滴

Claims (8)

  1. 表面を疎水化した基板上の電極列を用い，この上に置かれた液体試料を表面張力により液滴の形として，電極列に順次電圧を印加していくことにより輸送することを特長とする液体微粒子ハンドリング装置。
  2. 電極列を構成する一つの電極中心から隣接する電極の中心までの間隔が取り扱われる液体微粒子の直径よりも小さいことを特長とする請求項１に記載の液体微粒子ハンドリング装置。
  3. 液体微粒子を置く疎水表面に凸部の高さがその幅の0.5倍以上であるような凹凸を加工して液体と表面との接触面積を低減したことを特長とする請求項１に記載の液体微粒子ハンドリング装置。
  4. 液体微粒子の直径の0.1倍以上の高さを持つ疎水性のガイド溝をつけて液体微粒子の通路としたことを特長とする請求項１に記載の液体微粒子ハンドリング装置。
  5. 電極表面上に液体微粒子の通路となる疎水性の管路を設けたことを特長とする請求項１に記載の液体微粒子ハンドリング装置。
  6. 管路の幅または高さを液体微粒子よりも小さくとり，液滴をこの中に閉じ込めることにより，管路の断面より大きい液滴を変形した形で輸送することを特長とする請求項５に記載の液体微粒子ハンドリング装置。
  7. 複数に分岐した電極列を用い，いずれかの電極列に選択的に電圧を印加することにより，輸送される液体微粒子をそれらの分岐に振り分けることを特長とする請求項１に記載の液体微粒子ハンドリング装置。
  8. 複数のガイド溝が合流する形のガイド溝を用い，複数の溝から来た液滴を合流点あるいはそれより下流側で衝突させることにより融合させ，それらの液滴の構成物を混合することを特長とする請求項１に記載の液体微粒子ハンドリング装置。
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