JP4469974B2 - 微量液体分取装置及び微量液体分取方法 - Google Patents

Description

本発明は、大きな体積の液塊から微量の液体を定量分取する微量液体分取装置及び微量液体分取方法に関するものである。

従来の生化学マイクロ分析システム（Micro Total Analysis Systems：μTAS）においては、正確な分析を行うため、分析対象である微量の反応液を所望の体積で正確に分取又は分注することが望まれている。このような要望に応じるため、従来から、例えば、パルス駆動される圧電体を利用し、液体表面に集束させた超音波エネルギーによってノズルを介して微量液滴を吐出する装置が提案されている（例えば、特許文献１，非特許文献１参照）。このとき、微量液滴は、波動エネルギーの流れである音波の伝搬を、物体によって遮るときに生じる力であって、物体を音波の伝搬方向に押す力である音響放射圧によって発生する。即ち、液体中を伝搬する音波は、液体が気体と接する気液界面で進行が遮られるため、気液界面が音波によって伝搬方向へ押される。このため、特許文献１や非特許文献１に開示された装置においては、超音波エネルギーを気液界面である液体表面に集束させるようにしておくことで、表面張力以上の非常に強い押圧力を気液界面に局部的に作用させ、連続液体から微量液滴を分離している。

ところで、特許文献１に引用されている非特許文献２によれば、エネルギー集束径ｄ、焦点距離Ｌ、液体中の音速Ｃ、レンズ径Ｄ，駆動周波数Ｆとすると、エネルギー集束径ｄは次式で決まる。
ｄ＝２．４４Ｌ・Ｃ／(Ｄ・Ｆ)…………（１）
そして、特許文献１には、ノズルから吐出される液滴の径は、エネルギー集束径ｄに線形比例すると記載されている。

特開２００３−１２１４４０号公報 「10th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators」, P. 1784-1788, 「Ejection Characteristics of Micromachined Acoustic-Wave Liquid Ejector」 実吉純一 外監修、藤吉敏生 発行、「超音波技術便覧」日刊工業新聞社、１９６０年１１月２５日、ｐ．１７１

しかしながら、液滴は、径が小さくなると表面張力が支配的になる。このため、ノズルから吐出される液滴の径は、（１）式の関係が必ずしも当てはまらなくなる。例えば、非特許文献１において、（１）式を適用した場合、計算上の液滴径は役１．５μｍとなるが、実際の液滴径は最小でも１０μｍ程度であった。このため、従来の装置は、微量な液体を分取する際の精度の点で必ずしも満足すべきものではなかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、目的とする液量を超える液塊から微量の液体を精度良く定量分取することが可能な微量液体分取装置及び微量液体分取方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る微量液体分取装置の一態様は、狭隘部を介して連結され、液体を保持する保持部と、前記狭隘部と交差する方向から前記狭隘部に向けて音波を発生する音波発生手段と、が固体基板の表面に設けられていることを特徴とする。

また、上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る微量液体分取方法の一態様は、固体基板上に形成され、狭隘部を介して連結された保持部に保持された液体を、音波によって分取する微量液体分取方法であって、前記狭隘部と交差する方向から前記狭隘部に向けて音波を出射するステップと、前記音波の音響放射圧によって前記液体から微量液体が分取されるステップと、を含むことを特徴とする。

上記態様の微量液体分取装置及び上記態様の微量液体分取方法によれば、目的とする液量を超える液塊のうち、狭隘部に存在する液体から微量液体を分取することから、定量の液体が精度良く分取される。

また、本発明に係る微量液体分取装置の一態様は、上記の発明において、前記音波発生手段は、前記保持部と共に第１の固体基板上に設けられていることを特徴とする。

また、本発明に係る微量液体分取装置の一態様は、上記の発明において、前記音波発生手段及び前記保持部は、前記固体基板の同一平面上に配置されていることを特徴とする。

また、本発明に係る微量液体分取装置の一態様は、上記の発明において、前記音波発生手段は、前記保持部と異なる第２の固体基板上に設けられていることを特徴とする。

また、本発明に係る微量液体分取装置の一態様は、上記の発明において、前記音波発生手段は、前記狭隘部と直交する方向から前記狭隘部の液体に向けて音波を発生することを特徴とする。

また、本発明に係る微量液体分取装置の一態様は、上記の発明において、前記固体基板と前記液体との音響インピーダンスの差は、前記固体基板と前記固体基板が接する雰囲気との音響インピーダンスの差より小さく、かつ、前記液体と前記液体が接する雰囲気との音響インピーダンスの差より小さいことを特徴とする。

また、本発明に係る微量液体分取装置の一態様は、上記の発明において、前記音波発生手段は、発生する音波を前記保持部に保持される液滴の狭隘部に選択的に指向することを特徴とする。

また、本発明に係る微量液体分取装置の一態様は、上記の発明において、前記音波発生手段は、表面弾性波を発生する表面弾性波発生手段であることを特徴とする。

また、本発明に係る微量液体分取装置の一態様は、上記の発明において、前記表面弾性波発生手段は、平面上に直線状の電極が配列された櫛歯電極であることを特徴とする。

また、本発明に係る微量液体分取装置の一態様は、上記の発明において、前記表面弾性波発生手段は、平面上に曲線状の電極が配列された櫛歯電極であり、前記狭隘部の液体の当該表面弾性波発生手段から離れた縁部に前記表面弾性波を集束させることを特徴とする。

また、本発明に係る微量液体分取装置の一態様は、上記の発明において、前記第１の固体基板と前記第２の固体基板は、前記液体に近い音響インピーダンスを有する物質を介して密着されていることを特徴とする。

また、本発明に係る微量液体分取装置の一態様は、上記の発明において、前記音波発生手段は、表面弾性波を発生する表面弾性波発生手段であり、前記液体に近い音響インピーダンスを有する物質は、前記表面弾性波を音源として、前記第１の固体基板と前記第２の固体基板との接合面で変換されて発生する縦波音波の波長を基準として所定の厚さに設定されていることを特徴とする。

また、本発明に係る微量液体分取装置の一態様は、上記の発明において、前記音波発生手段は、表面弾性波を発生する表面弾性波発生手段であり、前記第１の固体基板は、前記第１の固体基板と前記第２の固体基板との接合面で前記表面弾性波が変換されることによって生じた縦波音波が透過可能な音響インピーダンス又は前記液体に近い音響インピーダンスを持つ材料で形成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る微量液体分取装置の一態様は、上記の発明において、前記音波発生手段は、表面弾性波を発生する表面弾性波発生手段であり、前記第１の固体基板は、前記第１の固体基板と前記第２の固体基板との接合面で前記表面弾性波が変換されることによって生じた縦波音波の波長を基準として所定厚さに設定されていることを特徴とする。

また、本発明に係る微量液体分取装置の一態様は、上記の発明において、前記保持部に液体を保持したときの前記狭隘部における液体の幅は、前記表面弾性波を音源とする縦波音波の波長波長によって決まる所定の値であることを特徴とする。

また、本発明に係る微量液体分取装置の一態様は、上記の発明において、前記保持部の表面は、親水性を有し、前記保持部に隣接する部分の表面は、疎水性を有することを特徴とする。

また、本発明に係る微量液体分取装置の一態様は、上記の発明において、前記第１の固体基板は、前記音波発生手段側から前記保持部側に向かって低くなるように傾斜し、かつ、前記液体が前記保持部に保持される傾斜角度に設定されていることを特徴とする。

本発明にかかる微量液体分取装置及び微量液体分取方法は、目的とする液量を超える液塊から微量の液体を精度良く定量分取することができるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる微量液体分取装置及び微量液体分取方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施の形態１）
先ず、実施の形態１に係る微量液体分取装置及び微量液体分取方法について説明する。図１は、本発明の微量液体分取装置及び微量液体分取方法に係る実施の形態１を説明するもので、微量液体分取装置の斜視図である。図２−１〜図２−４は、微量液体分取装置における液体を保持する保持部の形状を示す平面図である。図３は、保持部に保持された液体の形状を示す正面図である。図４は、保持部、音波発生手段、分割された微量液体を示す平面図である。

微量液体分取装置（以下、単に「分取装置」という）１は、図１に示すように、固体基板２の上面に液体の保持部３と、音波発生手段、ここでは表面弾性波を発生するＩＤＴ(Inter Digital Transducers）櫛歯電極（以下、単に「櫛歯電極」という）４が設けられている。

固体基板２は、櫛歯電極４側から保持部３側に向かって低くなり、かつ、液体が保持部３に保持されるように、角度θ傾斜させて配置されている。固体基板２は、上面に保持部３及び櫛歯電極４が設けられ、保持部３に隣接する部分は疎水化処理されて疎水性を有している。疎水化処理は、固体基板２の表面に櫛歯電極４を形成した後、フッ素樹脂系ポリマーから成る撥水剤をスピンコートしたり、プラズマCVD法による低温コーティングによってアモルファスカーボンの皮膜（DLC）を形成したりすることによって行う。ここで、固体基板２は、例えば半導体製造技術において使用するシリコンやガラスなどの固体基板、またはこれらの固体基板上に金属層や絶縁層を形成したもの、ニオブ酸リチウム結晶、酸化亜鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ: lead zirconate titanate）等の圧電性の固体基板、さらにはこれらの圧電性基板上の一部に石英層や金属層を設けたもの等が使用される。

保持部３は、マイクロピペッターやシリンジ分注器等を用いて微量液体を分割取得しようとする液体を載置する部分であり、親水性を有し、図１及び図２−１に示すように、狭隘部３ａ介して受容部３ｂが連結されている。保持部３は、親水性を有するのに対し、固体基板２の保持部３に隣接する部分は疎水化処理されている。従って、固体基板２は、液体を保持部３に載置すると、図３に示すように液滴が形成され、狭隘部３ａにおける液体の量が少なく、受容部３ｂが盛り上がった形状に液体が保持される。このため、保持部３に保持された液体は、量が少ない狭隘部３ａから微小な液体に容易に分割される。保持部３は、固体基板２の該当部分にガラス系のコーティングをしたり、固体基板２としてシリコン基板を使用したときには、その表面に酸化皮膜等を形成したりすることによって固体基板２の表面に設けられる。

ここで、保持部３は、図２−２に示すように、狭隘部３ａで受容部３ｂが点状に連結された形状としてもよい。この場合、保持部３に液体を載置すると、狭隘部３ａに存在する液体Ｌnは、点線で示すように狭隘部３ａから僅かにはみ出すが、受容部３ｂよりも少ないので、微量液体を分割するうえで問題はない。また、保持部３は、図２−３に示すように、狭隘部３ａを図２−１に示すものよりも長く形成したり、図２−４に示すように、狭隘部３ａに微小保持部３ｃを形成したりしてもよい。このような構造にすると、保持部３は、狭隘部３ａに直交する面における液体の断面積が小さくなり、載置した液体から微量液体が一層容易に分割される。

櫛歯電極４は、図１に示すように、数μｍのピッチで交互に櫛歯状に係合する直線状の電極４ａ，４ｂを有し、配線６によって外部の電源７と接続されている。櫛歯電極４は、発生する表面弾性波の進路と交差する位置に狭隘部３ａが存在するように、保持部３とオフセットさせて固体基板２の表面に設けられている。即ち、櫛歯電極４は、図４に示すように、平面上に形成される直線状の電極４ａ，４ｂが重なり合い、表面弾性波を発生させる有効領域Ａeが、狭隘部３ａに存在する液体Ｌnの長さＬgと一致するように設けられている。これにより、櫛歯電極４は、表面弾性波を狭隘部３ａに選択的に指向して発生するので、図４及び図５に示すように、狭隘部３ａから微量液体Ｌqmが分割される。

以上のように構成される分取装置１は、例えば数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚ程度の高周波交流電場を電源７から櫛歯電極４に印加すると、周波数が表面弾性波の速度と櫛歯電極４の電極４ａ，４ｂ間距離の比に等しい共鳴条件がほぼ満足される場合に、図６に示すように、固体基板２の圧電性領域に表面弾性波Ｗsが誘起される。表面弾性波Ｗsは、相互に係合する電極４ａ，４ｂの配列方向に沿って櫛歯電極４の両側へ固体基板２の表面を２方向に伝搬する。２方向に伝搬する表面弾性波Ｗsのうち、保持部３に向かう表面弾性波Ｗsが、微量液体Ｌqmを分割するための外力として狭隘部３ａに存在する液体Ｌnに作用する。

ここで、物質中における表面弾性波の伝搬は、物質中の微小粒子が進行方向に一致して振動することにより行われる。ごく限られた時間の中では、振動する微小粒子に密になる部分と疎になる部分ができ、この疎密状態の進行速度が音速であり、音速の関係式は、Ｃを音速（伝搬速度）、Ｋを体積弾性率、ρを密度とすると、次式で表される。
Ｃ＝（Ｋ／ρ）^1/2……………（２）

表面弾性波が伝搬する上で、固体や液体の構成分子が粗密な変化を生じる場合、各々の点の圧力が上下する。この圧力の差（常圧からの圧力変動分）を音圧と呼び、音圧に対する粒子速度の比を音響インピーダンスと呼ぶ。平面波の場合、音響インピーダンスＺは、媒質の密度ρと音速Ｃの積により決定され、次式で与えられる。
Ｚ＝ρ・Ｃ………………………（３）

従って、例えば音速と密度が大きいと、音響インピーダンスが大きくなる。音響インピーダンスは、物質中の表面弾性波の伝達効率を左右する物性値であり、前述のように互いに接する二種類の物質間の音響インピーダンスの差が大きいと、一方の物質表面を伝搬していた表面弾性波は他方へは伝搬しない。これに対して、二種類の物質間の音響インピーダンスの差が小さいと、一方の物質表面を伝搬していた表面弾性波は他方へ伝搬する。

従って、固体基板２と固体基板２が界面を接する流体との音響インピーダンスが大きく異なる場合、表面弾性波Ｗsは固体基板２の表面から約一波長程度の深度領域に閉じ込められたまま伝搬する。これに対して、固体基板２と固体基板２が界面を接する流体との音響インピーダンスが近い場合、表面弾性波Ｗsは固体基板２から流体側へと漏れ出ていく現象が発生する。分取装置１は、保持部３を除き、固体基板２が界面を接する流体は空気／大気などに代表される雰囲気であり、両者の音響インピーダンスは著しく異なる。このため、表面弾性波Ｗsは、固体基板２の表面に閉じ込められたまま伝搬する。しかし、保持部３においては、固体基板２が界面を接する流体は液体Ｌqであり、両者の音響インピーダンスは比較的近いものとなる。このため、表面弾性波Ｗsは、狭隘部３ａにおいて液体Ｌq側へ漏洩していく。但し、表面弾性波等の横波は、液体Ｌqのような流体中では伝搬できないため、固体基板２と液体Ｌqの界面では次式で示されるスネルの法則に則り、横波から縦波へのモード変換が行われる。
Sinθ_i／Ｖ_s＝Sinθ_lt／Ｖ_l…（４）

ここで、θ_iは、固体基板２から液体Ｌqへ入射する界面における表面弾性波の入射角、θ_ltは、液体Ｌqへ透過／漏洩する縦波の透過角、Ｖ_sは固体基板２における表面弾性波の速度、Ｖ_lは液体Ｌqにおける縦波の速度である。

このように、狭隘部３ａにおいては、図６及び図７に示すように、モード変換された縦波音波Ｗlが液体Ｌn中へ透過／伝搬していくことになる。このとき、狭隘部３ａは、気液界面近傍における液面直下の固体基板２の表面となる。このため、モード変換された縦波音波は、狭隘部３ａに存在する液体の気液界面を効率的に変動させることができる。

このとき、例えば、モード変換された縦波音波が数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚ程度であれば、液体Ｌqに流れまたは気液界面の変動を発生させることが可能である。また、モード変換された縦波音波が数ミリ秒程度の繰り返しパルスであれば、音響放射圧を液体の揺動や移動のための物理的エネルギーとして利用することが可能である。更に、表面弾性波からモード変換された縦波音波は、図７に点線で示すように、（４）式によって決まる角度θ_ltをもって固体基板２から液体Ｌq中へ透過／漏洩してゆく。このとき、表面弾性波がレイリー波の場合には、θ_i＝９０°となり、透過／漏洩角度は各音速の比（Ｖ_l／Ｖ_s）で決まる。このため、分取装置１は、固体基板２における表面弾性波の速度を適宜選択することで、所望する方向へ縦波音波を放射し、狭隘部３ａに存在する液体から微量液体を分割することができる。

即ち、図３において、保持部３に保持された液体Ｌqは、狭隘部３ａに直交する面における断面積が狭隘部３ａでは特異的に小さくなる。このため、分取装置１は、比較的小さい力で液体Ｌqから微量液体Ｌqmを液滴として切り離すことができる。ここで、狭隘部３ａにおいは、図７に示すように、狭隘部３ａに存在する液体Ｌn中を点線で示すように伝搬する縦波音波Ｗlによって音響放射圧が発生する。そして、この音響放射圧が、縦波音波の進行方向に沿って微量液体Ｌqmを切り離す力として液体Ｌqに作用する。

このとき、縦波音波の進行方向は、図７において、狭隘部３ａに存在する液体Ｌnの幅Ｗ方向であり、固体基板２の表面より液体Ｌqに漏洩した縦波音波の音響放射圧は、液中への漏洩開始位置から縦波音波の進行方向に沿って暫減する。一般的に、縦波音波は、液体Ｌqへの漏洩開始位置から約８波長分の距離までは液中へ漏洩するとされる。従って、図４において、狭隘部３ａに存在する液体Ｌqの幅Ｗは、このような理由から、縦波音波の波長を基準として適切な値に設定することができる。ここで、図４は、液体Ｌqを保持する保持部３を示しているが、図４は平面図であることから、同時に保持部３に存在する液体Ｌqの平面的な広がりも示している。

更に、固体基板２は、図１に示すように、角度θ傾斜させることにより、保持部３に対して櫛歯電極４が高い位置に配置され、保持部３を除く表面が疎水性（撥水性)を有している。このため、表面弾性波によって分離された微量液体Ｌqmは、重力によって固体基板２の表面を容易に流れ落ちる。ここで、固体基板２を傾斜させる角度θは、液体に音響放射圧が作用しない状態において、親水性表面を持つ保持部３の吸着性によって液体が保持され、流れ落ちない角度に設定する。さらに、狭隘部３ａの縁部から分割される微量液体Ｌqmが通過する固体基板２の表面を疎水化処理しておくことによって、分取された微量液体Ｌqmを固体基板２上での凝着による体積の減少を起こさせずに固体基板２上を搬送することができる。

分取装置１において、分割される微量液体の体積決定に支配的な要素を整理すると、次のようになる。先ず、微量液体を分割する際の抗力となる凝集力は、液体の粘性或いは表面張力、及び狭隘部３ａに存在する液体の立体的な形状及び寸法で決定される。一方、凝集力に抗して微量液体を切り離そうとする力の大きさは、音響放射圧の強度を決定する櫛歯電極４の振動周波数と振幅であり、櫛歯電極４の駆動電圧の印加時間である。櫛歯電極４は、超音波振動子の中では比較的高い、例えば１００ＭＨｚ前後の周波数の超音波を発生する。このとき、高い駆動電圧に対する耐圧を有する櫛歯電極は、圧電素材により形成される超音波振動子よりも小型で、操作対象の液滴の狭隘部付近に効率良く音響放射圧を加えることが可能である。

また、分取装置１は、櫛歯電極４の振幅、即ち、駆動電圧の大きさと印加時間の選択により、液体へ作用する音響放射圧の強度が調整可能であると共に、微量液体の分取体積の調節ができる。更に、分取装置１は、狭隘部３ａを拡大した斜視図である図８に示すように、狭隘部３ａに存在する液体Ｌnの立体的な形状及び寸法（例えば、幅Ｗ，長さＬg或いは狭隘部３ａに直交する面における断面積Ｓ）の設定によっても、微量液体の分取体積の調節が可能である。

分取装置１は、この他の特長として１.例えば、櫛歯電極４に印加する駆動電圧パルスの波形を電子的に制御することで、液体に対する音響放射圧の作用時間を容易に設定可能、２.駆動電圧パルスのソフトウエアでの制御が可能、３.液体を載置する固体基板２の表面に凹凸がないので洗浄が容易、等の利点を有している。

ここで、分取装置１は、図９に示す櫛歯電極５を使用してもよい。櫛歯電極５は、長さＬ5が、狭隘部３ａに存在する液体Ｌnの長さＬgよりも長く、数μｍのピッチで交互に櫛歯状に係合する直線状の電極５ａ，５ｂを有し、配線６によって外部の図示しない交流電源と接続されている。

分取装置１は、櫛歯電極５を使用すると、図９に示すように、長さＬ5方向に沿った広い範囲に表面弾性波Ｗsが誘起され、固体基板２の表面を伝搬してゆく。そして、表面弾性波Ｗsが保持部３に達すると、モード変換された縦波音波が液体へ漏洩し、狭隘部３ａに存在する液体から微量液体Ｌqmを分割する。このとき、狭隘部３ａの外側で液体に漏洩した縦波音波は、音響放射圧による音響流Ｆlを液体中に発生させる。音響流Ｆlは、微量液体Ｌqmが分割される方向と同じ方向の旋廻流になると考えられる。このため、音響流Ｆlは、液体から微量液体Ｌqmを分割するうえで、補助的機能を発現することが期待できる。なお、本実施の形態では、分取精度が最良となるように、音波を狭隘部３ａと直交するように放射しているが、少なくとも音波が狭隘部３ａと交差するように放射されていれば分取は可能である。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２に係る微量液体分取装置及び微量液体分取方法について説明する。図１０は、実施の形態２の分取装置を示す斜視図である。ここで、以下の説明においては、分取装置１と同一の構成部材については同一の複数の符号を付して説明する。

分取装置１０は、櫛歯電極４に代えて数μｍのピッチで交互に櫛歯状に係合する円弧状の電極１１ａ，１１ｂとした櫛歯電極１１を固体基板２上に設けたものである。櫛歯電極１１は、電極１１ａ，１１ｂが円弧状をしているために、発生する表面弾性波は、保持部３に保持された液体Ｌqに関し、狭隘部３ａに存在する液体の櫛歯電極１１から離れた縁部、即ち、分割された微量液体Ｌqm側に集束する。このため、分取装置１０は、狭隘部３ａに存在する液体から微量液体Ｌqmを、分取装置１よりも効率良く分離させることができる。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３に係る微量液体分取装置及び微量液体分取方法について説明する。図１１は、実施の形態３の分取装置を示す斜視図である。図１２は、狭隘部を横断して切断した分取装置の断面図である。

分取装置１５は、固定基板１６の上面の、狭隘部３ａと対向する位置に液体の保持部３が設けられ、固定基板１７の上面に櫛歯電極４が設けられ、固定基板１６，１７は音響整合層１８を介して密着されている。ここで、固定基板１６は、固体基板１６，１７の接合面で表面弾性波が変換されることによって生じた縦波音波が透過可能な音響インピーダンス又は保持部３に保持される液体に近い音響インピーダンスを持つ材料で形成するか、或いは表面弾性波が変換されることによって生じた縦波音波の波長を基準として所定厚さに設定する。固体基板１６，１７は、固体基板２と同じ素材で構成され、櫛歯電極４側から保持部３側に向かって低くなり、かつ、液体Ｌqが保持部３に保持されるように、角度θ傾斜させて配置される。また、音響整合層１８は、固体基板１６，１７間に塗布又は充填することにより、音響インピーダンスを整合させて固体基板１６，１７間を音響的に結合するもので、保持部３に保持される液体に近い音響インピーダンスを有する物質を使用し、櫛歯電極４が発生する表面弾性波を音源として、固体基板１６，１７の接合面で変換されて発生する縦波音波の波長を基準として所定の厚さに設定する。音響整合層１８は、保持部３に保持して微量液体を分割する液体が、主成分を水とする場合や水に近い音響インピーダンスを持つ液体のときには、水やシリコン系のオイルや合成ゴム、水とグリセリンなどのエマルジョン、或いはエポキシ系樹脂等が使用される。

ここで、固体基板１７から固体基板１６へ伝達される音響エネルギーの減衰は、上述の（２），（３）式より、音響整合層１８となる物質の密度や体積弾性率といった物性値と、物質中を伝播する表面弾性波の波長に依存する。伝播する表面弾性波の減衰を抑えようとすると、音響整合層１８の厚さは薄い方が望ましく、例えば固体基板１６，１７の接合面でモード変換されて発生する縦波の波長を基準に適切な値を求めることが可能である。また、固体基板１７から固体基板１６への音響エネルギーの伝達を効率良く行おうとする場合、両者の音響インピーダンスの差異は少ない方が望ましい。

従って、分取装置１５は、図１２に示すように、固体基板１６，１７が音響整合層１８を介して互いに密着しているため、固定基板１７上の櫛歯電極４が発生した表面弾性波Ｗsは、固定基板１６内を通過して保持部３に保持された液体へと到達し、狭隘部３ａに存在する液体から微量液体Ｌqmを分離させる。このとき、櫛歯電極４が発生した表面弾性波は、固体基板１６と固体基板１７との接合面に存在する音響整合層１８に到達する。このため、音響整合層１８へ到達した固体弾性波は、横波から縦波、或いは縦波と横波が混在した混在波にモード変換される。これら縦波、或いは混在波のうち、モード変換された縦波音波Ｗlのみが固体基板１６へ漏洩して固体基板１６中で反射を繰り返し、暫減しながら進行してゆく。このようにして保持部３に到達した縦波音波Ｗlは、保持部３上にある液体Ｌqに漏洩する。一方、音響整合層１８において変換された横波音波Ｗtは、音響整合層１８中を伝播しながら暫時縦波音波Ｗlへ再度変換され固体基板１６へ漏洩し、固体基板１６中で反射を繰り返し、暫減しながら進行してゆく。

このとき、保持部３に保持された液体は、狭隘部３ａに直交する面における断面積が狭隘部３ａでは特異的に小さく、狭隘部３ａに保持される液体Ｌnは他の部分よりも結合エネルギーが小さい。このため、狭隘部３ａに保持された液体は、縦波音波Ｗlの音響放射圧によって微量液体Ｌqmが切り離される（図１１参照）。

なお、実施の形態１においては、固体基板２の材料は、表面処理のし易さと圧電性の両方を考慮して選択しなければならなかった。しかしながら、本実施の形態においては、保持部３が設けられる第１の固体基板と、櫛歯電極４が設けられる第２の固体基板とを別基板にしたため、第１の固体基板は表面処理のし易さ、第２の固体基板は櫛歯電極の加工性や圧電性等を目的として材料を選択すればよく、装置を構成する材料の選択の幅が広がるという利点がある。

（実施の形態４）
次に、実施の形態４に係る微量液体分取装置及び微量液体分取方法について説明する。図１３は、実施の形態４の分取装置を示す斜視図である。

分取装置２０は、図１３に示すように、固体基板１７に設ける櫛歯電極を櫛歯電極４に代えて櫛歯電極１１とし、音響整合層１８を介して固定基板１６，１７を密着したものである。従って、分取装置２０は、櫛歯電極１１の電極１１ａ，１１ｂが円弧状に成形ているために、発生した表面弾性波が保持部３に保持された液体Ｌqに関し、狭隘部３ａに存在する液体の櫛歯電極１１から離れた縁部、即ち、分割された微量液体Ｌqm側に集束する。このため、分取装置２０は、櫛歯電極１１が発生した表面弾性波を音響整合層１８でモード変換し、モード変換された縦波音波Ｗlを固体基板１６から保持部３上にある液体Ｌqに漏洩することによって、狭隘部３ａから微量液体Ｌqmを分割する。

（実施の形態５）
次に、実施の形態５に係る微量液体分取装置及び分取方法について説明する。図１４は、実施の形態５の分取装置を示す斜視図である。

分取装置２５は、図１４に示すように、実施の形態２の分取装置１０において、基板２に設ける櫛歯電極を櫛歯電極１１に代えて櫛歯電極４とし、基板２に微量液体Ｌqmのガイド溝２ａを設けたものである。ガイド溝２ａは、保持部３に保持された液体から分割される微量液体の移動を案内する。従って、分取装置２５は、分割された微量液体の排出進路が安定する。ここで、実施の形態５の構成は、実施の形態２〜４にも適用することができる。

（実施の形態６）
次に、実施の形態６に係る微量液体分取装置及び分取方法について説明する。図１５は、実施の形態６の分取装置を示す斜視図である。

分取装置３０は、図１５に示すように、実施の形態２の分取装置１０において、固定基板２の表面に、狭隘部３ａ近傍を起点とし、分割される微量液体を搬出する電極列８を設けたものである。電極列８は、複数の電極８ａを有し、隣接する電極の正負を順次切り替えることにより、分割された微量液体に静電気力を作用させて搬出する。このため、分取装置３０は、固定基板２を傾斜配置する必要がない。

（実施の形態７）
次に、実施の形態７に係る微量液体分取装置及び分取方法について説明する。図１６は、実施の形態７の分取装置を示す斜視図である。

分取装置３５は、図１６に示すように、実施の形態１の分取装置１において、固定基板２の櫛歯電極４を挟む両側に液体Ｌqを保持する保持部３を設けると共に、狭隘部３ａ近傍を起点とし、分割される微量液体を搬出する電極列８を設けたものである。従って、分取装置３５は、櫛歯電極４を駆動することによって、狭隘部３ａに存在する液体から同時に相反する方向へ２個の微量液体Ｌqmを分割し、分割した微量液体Ｌqmを各電極列８によって搬出することができる。ここで、実施の形態７の構成は、実施の形態３にも適用することができる。

（実施の形態８）
次に、実施の形態８に係る微量液体分取装置及び分取方法について説明する。図１７は、実施の形態８の分取装置を示す斜視図である。図１８−１は、保持壁に設けたスリットの形状を示す図である。図１８−２は、保持壁に設けた開口の形状を示す図である。

分取装置４０は、図１７に示すように、実施の形態２の分取装置１０において、固定基板２に保持部３を囲む壁２ｂを設けると共に、壁２ｂの狭隘部３ａに対応する位置にスリット２ｃ（図１８−１参照）を形成したものである。分取装置４０は、固定基板２にこのような壁２ｂを設けることによって、保持部３に保持し得る液体の量を増加させることができる。また、壁２ｂにスリット２ｃを設けることによって、櫛歯電極１１が発生した表面弾性波は、保持部３に保持された液体Ｌqのスリット２ｃの部分にのみ指向され、スリット２ｃの部分にある液体の凝集力に抗して微量液体が分取される。なお、実施の形態８の構成は、実施の形態１，３，４にも適用することができる。

ここで、壁２ｂは、スリット２ｃに代えて、図１８−２に示す開口２ｄを設けてもよい。このとき、スリット２ｃ又は開口２ｄ部分に存在する液体の凝集力は、液体の粘性或いは表面張力とスリット２ｃ又は開口２ｄ部分の形状や寸法によって決まる。このとき、液体の凝集力を決定する１つの要素となる形状としては、図１８−１及び図１８−２に示すように、スリット２ｃの場合には、高さＨslと幅Ｗslであり、開口２ｄの場合には高さＨopと上部のアーチ部分における曲率である。

（実施の形態９）
次に、実施の形態９に係る微量液体分取装置及び分取方法について説明する。図１９は、実施の形態９の分取装置を示す斜視図である。

分取装置４５は、図１９に示すように、実施の形態３の分取装置１５において、固定基板１６に肉厚の素材を用い、液体の保持溝１６ａと保持溝１６ａに保持された液体から分割される微量液体の移動を案内するガイド溝１６ｂを設けた変形例である。保持溝１６ａは、液体を保持する保持部３と同一形状であり、狭隘部１６ｃによって受容部１６ｄが連結されている。分取装置４５は、保持溝１６ａ設けることで、保持溝１６ａに保持し得る液体の量を増加させることができ、ガイド溝１６ｂを設けることで、分割された微量液体の排出進路を安定させることができる。ここで、実施の形態９の構成は、実施の形態４にも適用することができる。

（実施の形態１０）
次に、実施の形態１０に係る微量液体分取装置及び分取方法について説明する。図２０は、実施の形態１０の分取装置を示す斜視図である。

分取装置５０は、図２０に示すように、実施の形態２における分取装置１０の固体基板２に上板５１を設置するものである。上板５１は、保持部３に対応した部分を除去して保持開口５１ａが形成されると共に、液体から分割された微量液体の移動を案内するガイド溝に対応する部分を除去して通路５１ｂが形成されている。このため、分取装置５０は、固体基板２に上板５１を被着すると、保持部３に対応した部分に実施の形態９における保持溝とガイド溝が形成され、分取装置４５と同じ効果を発揮することができる。ここで、上板５１は、例えばシリコーン系のゴム素材であるをポリメチルシロキサン(PDMS)を用いて形成する。このとき、上板５１は、ＰＤＭＳの持つ自己粘着性を利用して固体基板２上に貼り付ける。

以上のように、本発明にかかる微量液体分取装置及び微量液体分取方法は、目的とする液量を超える液塊から微量の液体を精度良く定量分取するのに有用であり、特に、分注装置や分析装置に適している。

本発明の微量液体分取装置及び微量液体分取方法に係る実施の形態１を説明するもので、微量液体分取装置の斜視図である。 微量液体分取装置における液体を保持する保持部の形状を示す平面図である。 微量液体分取装置における液体を保持する保持部の形状を示す平面図である。 微量液体分取装置における液体を保持する保持部の形状を示す平面図である。 微量液体分取装置における液体を保持する保持部の形状を示す平面図である。 保持部に保持された液体の形状を示す正面図である。 保持部、音波発生手段、分割された微量液体を示す平面図である。 分割された微量液体側から見た保持部の液体を示す正面図である。 櫛歯電極が発生した表面弾性波の伝搬を示す断面図である。 固定基板における表面弾性波と、狭隘部の液体における縦波音波の伝搬を示す断面図である。 狭隘部を拡大した斜視図である。 微量液体分取装置の変形例を示す平面図である。 実施の形態２の分取装置を示す斜視図である。 実施の形態３の分取装置を示す斜視図である。 狭隘部を横断して切断した分取装置の断面図である。 実施の形態４の分取装置を示す斜視図である。 実施の形態５の分取装置を示す斜視図である。 実施の形態６の分取装置を示す斜視図である。 実施の形態７の分取装置を示す斜視図である。 実施の形態８の分取装置を示す斜視図である。 保持壁に設けたスリットの形状を示す図である。 保持壁に設けた開口の形状を示す図である。 実施の形態９の分取装置を示す斜視図である。 実施の形態１０の分取装置を示す斜視図である。

符号の説明

１ 分取装置
２ 固体基板
３ 保持部
３ａ 狭隘部
３ｂ 受容部
３ｃ 微小保持部
４，５ 櫛歯電極
６ 配線
７ 電源
８ 電極列
１０，１５ 分取装置
１６，１７ 固体基板
１８ 音響整合層
２０，２５ 分取装置
３０，３５ 分取装置
４０，４５ 分取装置
５０ 分取装置
５１ 上板
Ｌq，Ｌn 液体
Ｌqm 微量液体
Ｗs 表面弾性波
Ｗl 縦波音波
Ｗt 横波音波

Claims (17)

1. 固体基板と、
   狭隘部を介して連結され、液体を保持する保持部と、
   前記狭隘部と交差する方向から前記狭隘部に向けて音波を発生する音波発生手段と、
   を備え、前記保持部及び前記音波発生手段は、前記固体基板の同一平面上に設けられていることを特徴とする微量液体分取装置。
2. 狭隘部を介して連結され、液体を保持する保持部と、
   前記狭隘部と交差する方向から前記狭隘部に向けて音波を発生する音波発生手段と、
   前記保持部が表面に設けられる第１の固体基板と、
   前記音波発生手段が設けられ、音響整合層を介して前記第１の固体基板に密着される第２の固体基板と、
   を備えることを特徴とする微量液体分取装置。
3. 前記音波発生手段は、前記狭隘部と直交する方向から前記狭隘部の液体に向けて音波を発生することを特徴とする請求項１又は２に記載の微量液体分取装置。
4. 前記固体基板又は前記第１の固体基板と前記液体との音響インピーダンスの差は、前記固体基板又は前記第１の固体基板と前記固体基板又は前記第１の固体基板が接する雰囲気との音響インピーダンスの差より小さく、かつ、前記液体と前記液体が接する雰囲気との音響インピーダンスの差より小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の微量液体分取装置。
5. 前記音波発生手段は、発生する音波を前記保持部に保持される液滴の狭隘部に選択的に指向させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の微量液体分取装置。
6. 前記音波発生手段は、表面弾性波を発生する表面弾性波発生手段であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載の微量液体分取装置。
7. 前記表面弾性波発生手段は、平面上に直線状の電極が配列された櫛歯電極であることを特徴とする請求項６に記載の微量液体分取装置。
8. 前記表面弾性波発生手段は、前記狭隘部の液体の当該表面弾性波発生手段から離れた縁部に前記表面弾性波を集束させることを特徴とする請求項７に記載の微量液体分取装置。
9. 前記保持部に液体を保持したときの前記狭隘部における液体の幅は、前記表面弾性波を音源とする縦波音波の波長によって決まる所定の値であることを特徴とする請求項８に記載の微量液体分取装置。
10. 前記保持部の表面は、親水性を有し、前記保持部に隣接する部分の表面は、疎水性を有することを特徴とする請求項９に記載の微量液体分取装置。
11. 前記固体基板、第１の固体基板及び前記第２の固体基板は、前記音波発生手段側から前記保持部側に向かって低くなり、かつ、前記液体が前記保持部に保持される角度に傾斜配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の微量液体分取装置。
12. 前記音響整合層は、前記液体に近い音響インピーダンスを有することを特徴とする請求項２乃至１１のいずれか一つに記載の微量液体分取装置。
13. 前記音響整合層は、前記表面弾性波を音源として、前記第１の固体基板と前記第２の固体基板との接合面で変換されて発生する縦波音波の波長を基準として所定の厚さに設定されていることを特徴とする請求項１２に記載の微量液体分取装置。
14. 前記第１の固体基板は、前記第１の固体基板と前記第２の固体基板との接合面で前記表面弾性波が変換されることによって生じた縦波音波が透過可能な音響インピーダンス又は前記液体に近い音響インピーダンスを持つ材料で形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の微量液体分取装置。
15. 前記第１の固体基板は、前記第１の固体基板と前記第２の固体基板との接合面で前記表面弾性波が変換されることによって生じた縦波音波の波長を基準として所定厚さに設定されていることを特徴とする請求項１３に記載の微量液体分取装置。
16. 固体基板上に形成され、狭隘部を介して連結された保持部に保持された液体を、前記保持部と共に前記固体基板の同一平面上に設けられた音波発生手段が発生する音波によって分取する微量液体分取方法であって、
    前記狭隘部と交差する方向から前記狭隘部に向けて音波を出射するステップと、
    前記音波の音響放射圧によって前記狭隘部の液体から微量液体を分取するステップと、
    を含むことを特徴とする微量液体分取方法。
17. 第１の固体基板上に形成され、狭隘部を介して連結された保持部に保持された液体を、音響整合層を介して前記第１の固体基板に密着され、前記保持部と異なる第２の固体基板上に設けられた音波発生手段が発生する音波によって分取する微量液体分取方法であって、
    前記狭隘部と交差する方向から前記狭隘部に向けて音波を出射するステップと、
    前記音波の音響放射圧によって前記狭隘部の液体から微量液体を分取するステップと、
    を含むことを特徴とする微量液体分取方法。
    

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