JP4547304B2 - 液体搬送基板及び分析システム - Google Patents

Description

本発明は、試料中に含まれる成分量を検出する分析であって、搬送少量の試料の分析に関する。

試料中に含まれる成分量を検出する分析装置として、ハロゲンランプ等からの白色光を試料溶液に照射し、試料溶液を透過してきた光を回折格子で分光して必要な波長成分を取り出し、その吸光度を割り出すことで目的の成分量を測定する分光分析装置が広く用いられている。あるいは、白色光を回折格子で分光した後、試料溶液に照射する場合もある。これらの分析装置においては、従来、プラスチックやガラスの反応容器内に試料と試薬を分注し、これらを混合して試料溶液とした物に光を照射し、成分量を測定していた。

しかし近年、試薬コストの削減や、環境への負荷低減のため、分析に用いる試料溶液の微少量化が求められており、従来方式での試料溶液微少量化では液の取り扱いが困難になり、分注、混合時に発生する気泡等により正確な測定ができなくなるという問題もあった。このため、微少量の液体を的確に搬送する技術が求められていた。
微少量の液体を搬送する一つの方式として、基板に形成された電極上の液体を電気的な制御により搬送する方式が上げられる。この方式には一般的に次の二つの方式が用いられている。

一つ目の方式は、複数の電極を形成した二つの対向する基板間に搬送する液体を挟みこみ、二つの対向する基板間の表面に沿って配置された電極に電圧を印加することで、液体を駆動する方式（例えば（特許文献１））である。この方式では、通常、下側に配置された片方の基板上に液体を搬送させる液体搬送路に沿って多数の電極が形成され、もう一方の基板上にほぼ一面にグランドに接続された一つの電極を備える。液体がいくつかの電極上にまたがって静置している状態で液体下部の電極の一つに電圧を印加すると、電気毛管現象（例えば（特許文献２））により電圧を印加した電極上の液体の濡れ性が良くなり、最終的にその電圧を印加した電極の真上にその粒状の液体が搬送する。これを繰り返し搬送する。

もう一つの方式として、多数の電極を有した一つの基板の上に搬送する液体を供給し、液体付近の電極に電圧を印加して、液体を駆動する方式（例えば（特許文献３））がある。多数の電極は液体を搬送させる液体搬送路に沿って配置される。液体の下部に存在する電極と液体付近の電極との間に電界を形成し、電界の力を利用し、駆動させる。これを繰り返し搬送する。

これらの両方式とも微少量の液体を搬送する。また二つの微少量の液体同士を同じ電極上に搬送することにより混合させることも可能であり、さらには一つの微少量の液体を二つに分割することも可能である。このように、両方式とも電極を配置した基板上で電圧印加する電極を切り替えることで微量液体を搬送する。（このような搬送の駆動力を、以下、静電力という。）このようなシステムの利点は、周囲が壁に囲まれた容器に比べ、単一もしくは二枚の基板を利用するため気泡の影響を受けにくいことが挙げられる。

基板上での分析システムを考案したものとしての報告もなされている（例えば[非特許文献１]及び[非特許文献２]）。
上記文献記載の分析システム例では、基板上に試料を導入する試料導入部、試薬と混合する混合部、測定のための測定部、試料溶液を排出する排出部が存在し、各部は多数の電極から形成される液体搬送路で結ばれている。そして、試料導入部から導入された試料は、液体搬送路を搬送され、混合部において試薬と混合され反応液となり、測定部で成分を測定後、再び同じ液体搬送路を搬送され、排出部にて排出される。

なお、静電力により液体を搬送させるために用いる電極の形状としては、例えば、相互にはめ合わされる三角形電極列（例えば（特許文献４））や凸状部分と凹状部分とを有する電極対や山形電極（例えば（特許文献５））が報告されている。また、互いに噛合う関係の突起部を各々有する複数の電極（例えば（特許文献６））が報告されている。また、突起部分が設けられた電極であって、隣接する電極の凹部へそれら突起部分が入り込む形状とすることが報告されている（例えば（特許文献７））。

特開昭６０-２１６３２４号公報

特開２００４-０００９３５号公報 特開平１０-２６７８０１号公報 米国特許第４６３６７８５号公報 米国特許第４５６９５７５号公報 米国特許６５６５７２７号公報 特開２００４-３３６８９８号公報 R. B. Fair et al. "Electrowetting-based On-Chip Sample Processing for Integrated Microfluidics" IEEE Inter. Electron Devices Meeting 2003 Vijay Srinivasan et al. "Clinical diagnostics on human whole blood、 plasma、 serum、 urine、 saliva、 sweat、 and tears on a digital microfluidic platform" μTAS 2003

液体中に含まれる成分量を検出する装置等で、静電力を用いて粒状の液体を搬送するためには、まず、多数の電極を有した基板の上に、搬送する粒状の液体をいくつかの電極にまたがって静置する分量だけ供給する。この状態から粒状の液体を搬送するために、いくつかの電極上にまたがって静置している粒状の液体下部の電極の一つに電圧を印加する。すると、電気毛管現象等により、その電圧を印加した電極の真上にその粒状の液体が移動する。次に、電圧を印加した電極の電圧を切ると、粒状の液体は電圧を切った電極上で電気毛管現象が解除され、両隣の電極上にもわずかに掛かった状態で静止する。続いて、両隣の電極の内、粒状の液体の移動方向側の隣の電極に電圧を印加すると、再度、電気毛管現象等により、その電圧を印加した電極の真上にその粒状の液体が移動する。電圧を印加する電極を順次切り替え、以上の動作を繰り返すことで粒状の液体を搬送することができる。

この時用いる多数の電極を有した基板には、電極を覆うように絶縁膜が設けられており、さらに絶縁膜を覆うように撥水膜が設けられている。そのため、粒状の液体と電極の間には絶縁膜と撥水膜があり、粒状の液体は撥水膜の上に供給され、撥水膜の上を搬送し、撥水膜の上で成分量を検出され、撥水膜の上から排出される。

粒状の液体を搬送するために電極に電圧を印加すると、電気毛管現象によりその電圧を印加した電極の真上にその粒状の液体が移動し、電圧を切ると電気毛管現象が解除されるが、電極に印加した電圧を切っても電気毛管現象が解除されない場合がある。その理由は、粒状の液体と電極間にある絶縁膜や撥水膜が帯電するためである。このような状態になると粒状の液体は帯電した部分に吸い寄せられたままになり、隣の電極に電圧を印加しても移動することが困難になる。

上記課題を解決するための手段として、電極上の絶縁膜や撥水膜に帯電した電荷を取り除くことにより、粒状の液体が帯電した部分に吸い寄せられたまま移動しない状態から脱し、スムーズに搬送することができる。

具体的には、電極に印加する直流電圧に加え、全ての電極に、もしくは、少なくとも粒状の液体が配置されている電極と、その隣にある電極に、装置立ち上げ時から装置使用終了までの間、もしくは、液体搬送開始時点から液体搬送終了時点まで、交流電圧を印加し、帯電を除去すること、すなわち、全ての電極には通常交流電圧を加えておき、所望の電極にのみバイアスを印加することで解決する。また、電圧を印加する電極の近傍に接地電極を設けることと、撥水膜及びもしくは絶縁膜に僅かながら導電性を持たせることで、帯電した電荷を除去しやすくしている。

液体搬送基板の一例としては、第１の基板と、前記第１の基板と対向する第２の基板と、前記第１の基板上に設けられた複数の第１電極と、前記第２の基板上に設けられた第２電極と、前記第１電極を覆うように設けられた第１の層状部材と、前記第２電極を覆うように設けられた第２の層状部材と、第１の液体を導入するための導入口と、前記第１の液体を排出するための排出口と、前記複数の第１電極に交流電圧を印加し、かつ前記複数の第１電極の少なくとも一部を介して前記第１の液体の少なくとも一部に、第１の液体を駆動するための駆動電圧を印加するための導電手段とを有することを特徴とする。

液体搬送基板の他の例としては、第１の基板と、前記第１の基板と対向する第２の基板と、前記第１の基板上に設けられた複数の第１電極と、前記第２の基板上に設けられた第２電極と、前記第１電極を覆うように設けられた第１の層状部材と、前記第２電極を覆うように設けられた第２の層状部材と、第１の液体を導入するための導入口と、前記第１の液体を排出するための排出口と、前記複数の第１電極の少なくとも一部を介して前記第１の液体の少なくとも一部に、第１の液体を駆動するための駆動電圧を印加し、前記起動電圧の印加、印加解除の少なくともいずれかのときに、前記駆動電圧を印加した第１電極に、減衰波形を持つ交流電圧を印加するための導電手段とを有することを特徴とする。

液体搬送基板の他の例としては、第１の基板と、前記第１の基板と対向する第２の基板と、前記第１の基板上に設けられた複数の第１電極と、前記第２の基板上に設けられた第２電極と、少なくとも１つの前記第１電極の近傍に設けられた、制御電極と、前記制御電極の少なくとも一部、及び、前記第１電極を覆うように設けられた第１の層状部材と、第１の液体を前記第１の層状部材の上に導入するための導入口と、前記第１の液体を排出するための排出口と、前記制御電極を接地電位とし、かつ前記複数の第１電極の少なくとも一部と前記第２電極との間に電圧を印加する導電手段を有することを特徴とする。

分析システムの一例としては、第１の液体を供給する手段と、第2の液体を供給する手段とを具備する第１のユニットと、前記第１の液体を供給する手段から吐出された前記第１の液体を導入する導入部と、前記第１の液体を導出する排出口と、複数の第１電極を備えてかつ前記導入部と前記排出口とをつなぐ液体搬送路と、前記液体搬送路の少なくとも一部に設けられた測定部と、前記複数の第１電極の少なくとも一部に電圧を印加する電圧印加手段を具備する第２のユニットと、前記測定部で検出するための検出系を具備する第３のユニットと、前記排出口から液体を排出するための第４のユニットとを有し、前記電圧印加手段は、前記複数の第１電極に交流電圧を印加し、かつ前記複数の第１電極の少なくとも一部を介して前記第１の液体の少なくとも一部に、第１の液体を駆動するための駆動電圧を印加することを特徴とする。

分析システムの他の例としては、第１の液体を供給する手段と、第2の液体を供給する手段とを具備する第１のユニットと、前記第１の液体を供給する手段から吐出された前記第１の液体を導入する導入部と、前記第１の液体を導出する排出口と、複数の第１電極を備えてかつ前記導入部と前記排出口とをつなぐ液体搬送路と、少なくとも１つの前記第１電極の近傍に設けられた制御電極と、前記液体搬送路の少なくとも一部に設けられた測定部と、前記複数の第１電極の少なくとも一部に電圧を印加する電圧印加手段を具備する第２のユニットと、前記測定部で検出するための検出系を具備する第３のユニットと、前記排出口から液体を排出するための第４のユニットとを有し、前記電圧印加手段は、前記制御電極を接地電位とし、かつ前記複数の第１電極の少なくとも一部に電圧を印加することを特徴とする。

液体中に含まれる成分量を検出する装置等で、静電力を用いて粒状の液体を搬送する際に、帯電により粒状の液体が搬送されなくなることを防止することができ、粒状の液体を所望する電極上に確実に移動することができる。これにより、粒状の液体を移動制御する際に、粒状の液体の位置を検出してフィードバックすることなしに、オープンループで制御することも可能になる。

図１から図３は液体搬送基板の構成の例を示す略図である。図１は基板の内部構成を示す略図であり、(a)は立体的に構成を説明するための図であり(b)は部分断面図である。図２はA-A断面における断面図を、図３はB-B断面における断面図を表している。本実施例での液体搬送基板は、大きく分けて下側の第１の基板１と上側の第２の基板２から構成されている。

第１の基板１と第２の基板２は、後述する液体搬送、及び、試料中に含まれる成分量検出のために、絶縁物かつ必要な波長の光を透過する材質を用いている。このような材質は、例えば実質的に透明なものを使用できる。具体的にはガラスやプラスチック等でもよい。図１及び図２に於いて、第１の基板１には、測定部４と測定部４を含む液体搬送路３とを形成する複数の第１の電極５が構成され、第２の基板２には、複数の第１の電極５と対面する領域に第２の電極６が構成される。

第１の電極５は、様々な形状を取ることが出来るが、図面の簡単のため、正方形に簡略化して説明する。
第１の電極５は図１に示されたような配列を構成するが、この配列は一端の電極５１、他端の電極５２、一端の電極５１と他端の電極５２との間に配置される中間電極の群５３からなる。第１の電極５と第２の電極６は、通常第１の基板１もしくは第２の基板２の表面に薄膜として堆積された透明導電膜をパターンニングして形成され、やはり薄膜として堆積された光を透過する絶縁膜により覆われており、さらに絶縁膜の表面は光を透過する撥水膜で覆われている。電極、絶縁膜及び撥水膜は非常に薄いため、本実施例で使用する断面図では、ほとんどの場合電極のみが基板に埋め込まれたような形状で表すことにする。絶縁膜及び撥水膜は非常に薄いと述べたが、通常５０ｎｍ程度から５μｍ程度であることが望ましい。この範囲は、製造上の厚さ精度を考慮すると５０ｎｍ程度以上の厚さが必要であり、また５μｍ程度よりも厚くなると、電極と粒状の液体の距離が大きすぎ、粒状の液体を搬送するために十分な静電力を得ることが難しくなるため、搬送のためには高電圧の印加が必要となることによるものである。なお、ここでいう程度とは、製造上の誤差程度の範囲を指す。

図１において、試料や試薬などの液体を導入するための導入口７と、前記液体を排出する排出口８は、第２の基板２に設けられている。
第１の基板１と第２の基板２は、一定の間隔を保って実質的に平行に向かい合わせるためのスペーサ９を挟み込んで固定されており、スペーサ９には、第１の基板１と第２の基板２との間の空間をシールする側壁１０を兼ねた部分もある。ここで実質的に平行とは、平行と同一視できる程度の平行性をいう。この時、第１の基板１と第２の基板２は、第１の電極５が形成された面と第２の電極６が形成された面とが向かい合うように固定されている。

第１の電極５からは、電圧を印加する導電手段としての配線（導線）１１が引き出され、側壁１０を通り越して外部に設けた配線接続部材たるパッド１２に電気的に接続されている。このパッドは、外部の電源と接続するためのものである。第２の電極６からは、電圧を印加する導電手段としての配線１３が引き出され、側壁１０を通り越して外部に設けた配線接続部材たるパッド１４に電気的に接続される。ここで、第２の電極６は第１の基板１に向き合う第２の基板２の面の一部に構成されている。具体的には、第２の基板における、第１の基板上の第１の電極が配置される領域と対面する部位を含む領域に構成されている。パッド１２及びパッド１４には、図３に示すように配線部材１５を接続し、外部の電源を含む制御装置１６に接続されている。

ここで、図４に示すように、第２の電極を第２の基板略全面に設けることもできる。すなわち、第２の基板２上の第１の基板１と向き合う面の全面に第２の電極６を設け、第２の電極６の表面を覆っている絶縁膜６０及び撥水膜６１にエッチング等で窓６２を加工し、配線接続部材たるパッド１４の領域を設ける。このパッド１４は第２の電極６のむき出しとなった部分であり、絶縁膜６０及び撥水膜６１は第２の電極６の第１の基板と向き合う面のうちパッド１４の領域以外の領域に設けられることとなる。このような構成にすることにより、導電手段としての配線を意識することなく、パッド１４に相当する領域を確保し、容易に液体搬送用の基板を作成することができる。パッド１２及びパッド１４には、図３に示すものと同様に配線部材１５を接続し、外部の電源を含む制御装置１６に接続されている。

図５は、主として第２の電極６のパッド１４にあたる領域を第１の基板側から見た部分拡大図である。図５の（ａ）は、第２の電極６から引き出された配線１３が配線接続部材たるパッド１４に接続された図１に対応する場合を示し、図５の（ｂ）は、第２の電極６が第２の基板２全面に設けられ、電極の表面を覆っている絶縁膜６０及び撥水膜６１にエッチング等で窓６２を加工し、第２の電極をむき出すことにより配線接続部材たるパッド１４の領域を設けた図４に対応する場合を示している。

図６を用い、本実施例での試料や試薬などの液体を導入、搬送、排出方法の例を説明する。本実施例では、第1の電極の数を６個にしているが、数が制限されている訳では無い。図６の（１）から（１２）は、図２と同じ断面を用い、手順を時系列で示している。第１の電極５−１から第１の電極５−６の複数の第１の電極５は、それぞれスイッチ１７−１からスイッチ１７−６の複数のスイッチ１７を介して電源１８に接続されており、電源１８の対極側は第２の電極６に接続されている。

図６の（１）において、導入口７の上部には、試料や試薬などの液体１９を吸引したディスペンサ２０が待機している。図６の（２）において、ディスペンサ２０の先端部分が導入口７から第１の基板１と第２の基板２の間の空間２１内に入り、導入口７の下に配置されている第１の電極５−１のわずかに上で停止する。具体的には、ディスペンサ２０の先端部分が第１の電極５−１の上部に位置する撥水膜の近傍に位置し、かつ撥水膜に接しない程度の位置で停止する。同時に第１の電極５−１に接続されたスイッチ１７−１が閉になり、第１の電極５−１と第２の電極６との間に電圧が印加される。図６の（３）において、ディスペンサ２０内の液体１９を吐出すると、液体１９は第１の電極５−１と第２の電極６との間に静電力で保持され、粒状の液体２２となる。粒状の液体２２は、第１の基板１と第２の基板２の間に挟まれた状態で保持されているため、つぶされた形状になっている。

図６の（４）において、ディスペンサ２０を退避する。図６の（５）から（９）において、スイッチ１７を左から右方向に順次開閉を切り替えることによって、電圧が印加される第１の電極５が、左から右方向に順次切り替わり、粒状の液体２２は第１の電極５−１の位置から、排出口８の下に配置されている第１の電極５−６の位置まで搬送される。図６の（１０）において、待機していた、粒状の液体２２を吸引するためのディスペンサ２３の先端部分が、排出口８から第１の基板１と第２の基板２の間の空間２１内に入り、排出口８の下に配置されている第１の電極５−６のわずかに上で停止する。具体的には、ディスペンサ２０の先端部分が第１の電極５−６の上部に位置する撥水膜の近傍に位置し、かつ撥水膜に接しない程度の位置で停止する。同時に前記第１の電極５−６に接続されたスイッチ１７−６が開になり、第１の電極５−６と第２の電極６との間に印加されていた電圧が解除される。図６の（１１）において、第１の電極５−６上の粒状の液体２２がディスペンサ２３により廃液２４として吸引される。図６の（１２）において、ディスペンサ２３が退避し液体搬送が終了する。

本実施例のように微少量の液体を搬送する場合、その途中で粒状の液体が蒸発して体積が変化し、成分濃度が変化する可能性がある。それを防止するため、場合によって第１の基板１と第２の基板２の間の空間２１内にオイルを入れ、そのオイル中に液体を導入して、粒状の液体２２を搬送する。使用するオイルには、主にシリコーン系のオイルとフロロカーボン系があるが、粒状の液体２２の成分が極力オイルに溶け込まないオイルを選択することが必要である。

次に、前述の液体搬送基板により、試料中に含まれる成分量を検出する方法を、図７を用いて説明する。図７は、図２で示す液体搬送路３と測定部４とを形成する複数の第１の電極５の中の一部である測定部４の周辺を示す。測定部４の第１の電極５−５上には、前述の液体搬送手順により、試料である粒状の液体２２が導入されている状態を示している。

液体搬送基板外部には、光２５を照射する光源２６と、測定部４の電極を介して透過してきた光を受光して電気信号に変換する受光部２７が計測部２８として配置されている。

本実施例による成分量検出方法は、大きく３通りある。１つ目の検出方法は、試料内の特定成分により、光の特定波長の減衰量を測定する方法である。光源２６から出射された光２５は、第２の基板２と第２の電極６を透過し、粒状の液体２２に照射される。光２５は、粒状の液体２２に含まれる成分量により特定の波長領域が減衰され、第１の基板１と第１の電極５−５を透過し、受光部２７で受光される。受光部で受光した光２５の減衰量を計測することにより、試料内の成分量を検出することができる。一般的には特定の２波長の光の減衰量を比較することにより試料内の成分量を割り出すことが多い。

２つ目の検出方法は、照射した光により試料内の特定成分が発した蛍光量を測定することにより成分量を測定する方法である。光源２６から出射された光２５は、第２の基板２と第２の電極６を透過し、粒状の液体２２に励起光として照射される。粒状の液体２２には、目的の成分量に比例して蛍光物質が含まれており、照射された光２５により励起され蛍光を発する。その蛍光量を受光部２７で受光し測定することにより、目的の成分量を計測することができる。このとき、励起光として照射される光２５の波長と、蛍光物質から発する蛍光の波長は異なるように設定されており、フィルタ等の波長を分離するための機構、若しくは光２５をパルス状に時分割して照射し、照射されていない時間に蛍光を計測する等で、励起光と蛍光を分離するようにしている。

３つ目の検出方法は、試料から発する発光を計測する方法である。この場合光２５と光源２６は必要なく、単に粒状の液体２２から発する発光量を受光部２７で受光し測定する。

以上、液体搬送基板を用い、試料や試薬などの液体を導入口７から導入し、液体搬送路３を搬送して、途中、測定部４で成分量を計測し、排出口８から排出する一連の動作を述べた。

本実施例での試料や試薬などの液体を導入、搬送、排出方法の例を図６を用いて説明した際の、第１の電極５−１から第１の電極５−６それぞれに印加される電圧の一例を、図８に横軸を時間にして表す。図６を用いて説明した際には、スイッチ１７−１からスイッチ１７−６を順次開閉し、図８に示すようなタイミングで第１の電極５−１から第１の電極５−６に順次直流電圧が印加されている。電圧が印加されていない部分は０Ｖ若しくは接地されている。

前述のスイッチ１７の開閉時、一度スイッチ１７が閉になり第１の電極５に電圧が印加されると、その後スイッチ１７を開にしても、第１の電極５の上面部分の絶縁膜６０や撥水膜６１が部分的に帯電したままになる場合がある。それは、絶縁膜６０や撥水膜６１の材質による特性や厚さによるが、その場合、図９のような回路で第１の電極５を第２の電極６と同電位にするか、図１０のような回路にし、第１の電極５に瞬間的に（スイッチを開とする前後に一時的に）逆電位を印加することにより解決することができる。しかし、このような手段では帯電を除去できない場合も想定される。その場合、第１の電極５に逆電圧を印加した後、再度正電圧を印加するという動作を繰り返すことで、帯電の除去を早めることが可能である。その場合、最初に印加した電圧よりも低い正負の電圧でも良い。また、正負の電圧を減衰波形として印加することにより、より短い時間での帯電除去が可能である。 そこで本実施例では、絶縁膜６０や撥水膜６１に起こる帯電を除去するため、電圧が印加されていない場合０Ｖ若しくは接地する代わりに、第１の電極５−１から第１の電極５−６それぞれに、装置立ち上げ時から装置使用終了までの間、もしくは、液体搬送開始時点から液体搬送終了時点まで、交流電圧を印加しておき、加えて、図８に示すようなタイミングで第１の電極５−１から第１の電極５−６に順次直流電圧を印加する代わりに、前記交流電圧にバイアスを与えるようにした。この場合の図８に代わる電圧印加の一例を図１１に示す。本実施例では、第１の電極５−１から第１の電極５−６全てに常時交流電圧を印加しておき、所望の電極にバイアスを与えているが、交流電圧を印加しておくのは、少なくとも粒状の液体が配置されている電極と、その隣にある電極のみで良い。

本実施例により、電圧を印加した電極上の絶縁膜や撥水膜が、正負どちらかの電圧で帯電したままになることを防ぐことができるため、粒状の液体を所望の電極上にスムーズに移動することができる。

また、交流電圧にバイアスを与えるのではなく、交流と直流を切り替え、電極への印加時に直流となるように制御することにより、同様の効果を得ることもできる。その場合の電圧印加の一例を図１２に示す。この方法によれば、交流と直流をリレー等で切り替えれば良いので、バイアスを印加する方法に比べて回路を簡略化することが可能である。

以上、図１１、図１２を用いた説明では、連続的な交流電圧と直流電圧の組合せにより帯電を除去する例を述べた。この場合の交流波形は、正弦波に限らず、正負の電圧が繰り返していれば良い。

次に、連続的な交流電圧ではなく、減衰波形を用いた例を示す。前述の連続的な交流電圧では、交流電圧にバイアスを印加している時間、若しくは直流電圧に切り替えて印加している時間、及び、それらの間隔よりも早い周波数で正負の電圧が変化する交流電圧を印加することにより、つまり、粒状の液体が移動する時間よりも短時間に正負の電圧を切り替えることにより、正負どちらかに帯電したままになることを防いで、粒状の液体がスムーズに移動するようにしている。

それに対し減衰波形を用いる方式は、短時間に正負の電圧を切り替えながら電圧を下げて行き、最終的には０Ｖ（若しくは正負の略中間の電圧）にする。そのため、交流電圧を印加する場合のように連続的に印加しておくことは必要なく、一定時間の電圧印加だけであるため、電力消費が少なくて済み、前記第１の基板１や同じく第２の基板２の長寿命化にも有利である。

図１３に、図６の直流電源に変わり、減衰波形発生器２９を用いた場合の略図を、図１４に各第1の電極５に印加される電圧の一例を、横軸を時間にして表す。図１４では、任意の電極へ直流電圧を印加し、その電圧の印加を切断するときに、いわゆる電圧の立下り（電圧の解除のとき）のときに減衰波形となるようにしている。これ以外にも、図１５のように、任意の電極への印加電圧の立ち上がりと立ち下り両方で減衰波形となるように電圧を印加することも可能である。この場合、第1の電極５へ直流電圧を印加するときに一瞬高い電圧を与えることができるため、粒状の液体の移動レスポンスが良くなるという効果もある。

絶縁膜６０や撥水膜６１に帯電が起こらなければ、粒状の液体２２は第１の電極５−１上から第１の電極５−６上に移動する。しかし帯電すると、電圧を印加する第1の電極を切り替えても粒状の液体２２はついて行かず、ステッピングモータの脱調のような現象が起こってしまうため、粒状の液体２２の位置と動きを確認し、制御しながら電圧を印加する等の対策が必要になる。本実施例によれば、そのようないわゆるクローズドループによる粒状の液体の制御ではなく、オープンループによる粒状の液体の制御が可能になる。

図１６に液体搬送基板の構成の例として第１の基板１を示す。第１の基板１上には、第1の電極５と、導電手段としての配線（導線）１１及びパッド１２が薄膜として堆積された透明導電膜をパターンニングして形成されており、やはり薄膜として堆積された光を透過する絶縁膜６０により覆われており、さらに絶縁膜６０の表面は光を透過する撥水膜６１で覆われている。絶縁膜６０と撥水膜６１には、薄膜成膜時のマスキングや薄膜成膜後のエッチング等で窓６２が加工されているため、パッド１２が露出し、外部からの電圧を印加できるようになっている。

本実施例では前記に加え、図１７に示すように、第１電極５の近傍に制御電極５４が設けられている。制御電極５４は、第1の電極５と同時にパターンニングされ、窓６２の部分でその一部がパッド５５として露出している。本実施例での制御電極５４は、第1の基板１の導線１１、パッド１２及び第1の電極５が形成されている面の上側からみて、導線１１、パッド１２及び第1の電極５が位置する領域と重ならない領域に配置されている。
ここで、この制御電極５４は図示したように当該重ならない領域の少なくとも一部に配置されてもよく、またその全部に配置されても良い。また、図示したように粒状の液体２２が第1の電極５の配列からなる液体搬送路３上を移動する範囲に重ならないように、かつ、第1の電極５に極力近接するように配置されてもよい。すなわち、制御電極５４は、第1の電極５の配列からなる液体搬送路３上を移動する粒状の液体２２が接さない領域であってかつ第1の電極５の近傍配置されてもよい。制御電極５４はパッド５５部分で接地されている。

さらに、本実施例で使用している絶縁膜６０と撥水膜６１は、少なくともどちらか一方が僅かに導電性を持つように成膜されている。また、絶縁膜と撥水膜は、第１の基板と第２の基板の各々の上に形成されているものであるが、そのいずれか側において、僅かに導電性を持つように成膜されていてもよい。また、接地されていてもよい。ここで、僅かに導電性を持つとは、絶縁膜や撥水膜に、金属微粉末やカーボンナノチューブ等の微粉末をパーコレーションの閾値が導電性に変わる程度に添加して得られる導電性のことであり、表面の帯電は接地部に除去することができるが、粒状の液体を搬送するための静電力には影響を及ぼさない程度の僅かな導電性である。それぞれの比抵抗は１０^８から１０^１１Ωｃｍ程度であり、高抵抗であるため、流れる電流はごくわずかであり、第1の電極５に印加された電圧が隣の電極に影響することは無い。

制御電極５４と導電性を持った絶縁膜６０若しくは撥水膜６１の役割は、帯電した電荷を絶縁膜６０や撥水膜６１、及び、制御電極５４を通し、パッド５５から除去することにある。これにより、実施例１で述べたような交流電圧や減衰波形の電圧を印加することなく帯電を防ぐことができ、粒状の液体２２をスムーズに移動する事ができる。そのため、クローズドループによる粒状の液体の制御ではなく、オープンループによる粒状の液体の制御が可能になる。実施例１と実施例２を組み合わせて用いれば、更に帯電防止の効果が上がる。

本実施例では、液体搬送基板の構成の例として第１の基板１を有し、実施例１で用いたような第2の基板を用いない構成を示したが、第2の基板として、実施例１で用いた第2の基板の絶縁膜及び撥水膜を上記の絶縁膜と撥水膜に置換えたものを使用してもよい。この場合には、第2の基板の表面も高抵抗であるため、帯電防止の効果をより高めることができる。

以下、実施例１、２に示した液体搬送基板を分析システムに用いた例を示す。本実施例では，試料として血清を用い，基板上で複数の試料を実質的に一方向に順次搬送させ，測定部において透過光量を測定し，試料の濁度を測定する。装置構成を図１８に示す。装置は試料ディスクユニット１００，搬送基板ユニット２００，光学ユニット３００，廃液ユニット４００から構成されている。試料は試料ディスクユニット１００内のピペッタ１０１により試料ディスクユニット１００から搬送基板ユニット２００内に分注され，搬送基板ユニット２００内で基板に配置された電極に順次電圧を印加することにより搬送され，光学ユニット３００により検出後，廃液ユニット４００内のシッパー４０１により搬送基板ユニット２００内から廃液タンク４０２に排出される。

試料ディスクユニット１００の構成を図１９に示す。液体１０２は容器１０３の中に収められ，試料ディスク１０４の円周上に複数配置される。試料ディスク１０４はモーターにより回転する。試料ディスク１０４の内周側には前処理ディスク１０５が設けられ，複数配置された前処理容器１０６にて試料の希釈を行う。ピペッタ１０１は上下方向と支柱を中心とした円周方向に移動し，試料ディスク１０４と前処理ディスク１０５の回転移動と合わせて，容器１０３内の液体１０２を吸引し，前処理容器１０６内へ吐出，また，前処理容器１０６から吸引し，搬送基板ユニット２００内に液体を吐出する。

搬送基板ユニット２００としては実施例１または実施例２に示した搬送基板、もしくは実施例１と実施例２とを組み合わせた搬送基板を用いるが、ここでは簡単のため、概略図の図２０を用いて説明する。搬送基板ユニット２００内には，導入口２０１（導入口７等に対応），測定部２０２（測定部４等に対応），排出口２０３（排出口８等に対応）が配置され，導入口２０１と排出部２０３は粒状の液体を搬送する液体搬送路２０４で結ばれ，途中に測定部２０２が存在する。ピペッタ１０１により試料導入口２０１に分注された液体は，液体搬送路２０４を排出部２０３まで搬送される間に，測定部２０２にて測定される。その後，廃液ユニット４００内のシッパー４０１により廃液タンク４０２に排出される。

実施例１または実施例２に示した搬送基板、もしくは実施例１と実施例２とを組み合わせた搬送基板を用いることにより、粒状の液体の搬送について実施例１または実施例２、もしくは実施例１と実施例２とを組み合わせた場合の各々の効果を有する分析システムを実現することができる。

液体搬送基板の構成の例を示す平面図である。 液体搬送基板の構成の例を示す正面側からの断面図である。 液体搬送基板の構成の例を示す側面側からの断面図である。 液体搬送基板の構成の例を示す平面図である。 パッド領域の一例を第１の基板側から見た部分拡大図である。 図２と同じ断面を用い、手順を時系列で示した略図である。 試料中に含まれる成分量検出の方法の例を示す、液体搬送基板の正面側からの断面図である。 電極に印加する電圧のタイムチャートである。 図４で示す方式の、別方式配線を示す回路図である。 図４で示す方式の、別方式配線を示す回路図である。 電極に印加する電圧のタイムチャートで、交流電圧とバイアス印加の例である。 電極に印加する電圧のタイムチャートで、交流電圧と直流電圧を切り替えて印加する例である。 図４で示す方式の、別方式配線を示す回路図である。 電極に印加する電圧のタイムチャートで、直流電圧と減衰波形電圧を印加する例である。 電極に印加する電圧のタイムチャートで、直流電圧と減衰波形電圧を印加する例である。 第1の基板の平面図である。 第1の基板の平面図である。 液体搬送基板を分析システムに用いた例である。 試料ディスクユニット１１０の構成の例である。 搬送基板ユニット２００の概略図である。

符号の説明

１…第１の基板、２…第２の基板、３…液体搬送路、４…測定部、５…第１の電極、５−１…第１の電極、５−２…第１の電極、５−３…第１の電極、５−４…第１の電極、５−５…第１の電極、５−６…第１の電極、６…第２の電極、７…導入口、８…排出口、９…スペーサ、１０…側壁、１１…配線、１２…パッド、１３…配線、１４…パッド、１５…配線部材、１６…制御装置、１７…スイッチ、１７−１…スイッチ、１７−２…スイッチ、１７−３…スイッチ、１７−４…スイッチ、１７−５…スイッチ、１７−６…スイッチ、１８…電源、１９…液体、２０…ディスペンサ、２１…空間、２２…粒状の液体、２３…ディスペンサ、２４…廃液、２５…光、２６…光源、２７…受光部、２８…計測部、２９…減衰波形発生器、５１…電極、５２…電極、５３…中間電極の群、５４…制御電極、５５…パッド、６０…絶縁膜、６１…撥水膜、６２…窓、１００…試料ディスクユニット、１０１…ピペッタ、１０２…液体、１０３…容器、１０４…試料ディスク、１０５…前処理ディスク、１０６…前処理容器、２００…搬送基板ユニット、２０１…導入口、２０２…測定部、２０３…排出部、２０４…液体搬送路、３００…光学ユニット、４００…廃液ユニット、４０１…シッパー、４０２…廃液タンク。

Claims (5)

1. 第１の基板と、
   前記第１の基板と対向する第２の基板と、
   前記第１の基板上に設けられた複数の第１電極と、
   前記第２の基板上に設けられた第２電極と、
   前記第１電極を覆うように設けられた第１の層状部材と、
   前記第２電極を覆うように設けられた第２の層状部材と、
   第１の液体を導入するための導入口と、
   前記第１の液体を排出する排出口と、
   前記複数の第１電極に第１の電圧を印加し、かつ前記複数の第１電極の少なくとも一部を介して前記第１の液体の少なくとも一部に、前記第１の液体を駆動するための駆動電圧を印加するための導電手段とを有し、
   前記導電手段は、前記駆動電圧の印加解除のときに、前記駆動電圧が印加されている電極に、減衰波形を持つ交流電圧を印加することを特徴とする液体搬送基板。
2. 前記導電手段は、さらに前記駆動電圧の印加のときに、前記駆動電圧が印加されている電極に、減衰波形を持つ交流電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の液体搬送基板。
3. 前記第１の層状部材及び前記第２の層状部材は、各々絶縁膜と撥水膜とを有し、前記絶縁膜と前記撥水膜との少なくともいずれかは、金属微粉末又はカーボンナノチューブを添加されたものであることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の液体搬送基板。
4. 第１の液体を供給する手段と、第2の液体を供給する手段とを具備する第１のユニットと、
   前記第１の液体を供給する手段から吐出された前記第１の液体を導入する導入部と、前記第１の液体を導出する排出口と、複数の第１電極を備えてかつ前記導入部と前記排出口とをつなぐ液体搬送路と、前記液体搬送路の少なくとも一部に設けられた測定部と、前記複数の第１電極の少なくとも一部に電圧を印加する電圧印加手段を具備する第２のユニットと、
   前記測定部で検出する検出系を具備する第３のユニットと、
   前記排出口から液体を排出する第４のユニットとを有し、
   前記電圧印加手段は、前記複数の第１電極に第１の電圧を印加し、かつ前記複数の第１電極の少なくとも一部を介して前記第１の液体の少なくとも一部に、第１の液体を駆動するための駆動電圧を印加し、
   前記導電手段は、前記駆動電圧の印加解除のときに、前記駆動電圧が印加されている電極に、減衰波形を持つ交流電圧を印加することを特徴とする分析システム。
5. 前記導電手段は、前記複数の第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の液体搬送基板。

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