JP4880944B2 - 液体移動装置、マイクロリアクタ、およびマイクロリアクタシステム - Google Patents

Description

本発明は、電気浸透流を用いて流路内の液体を移動させる液体移動装置、マイクロリアクタ、およびマイクロリアクタシステムに関する。

近年、Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ、μＴＡＳ、バイオマイクロチップ、あるいはマイクロリアクタなどと称される、微量の液体を扱う小型分析システムの開発が盛んに行なわれている。これは、流路、反応槽、ポンプ、バルブ、およびセンサなどの要素構造を数ｍｍから数ｃｍ四方のチップに集積した構成であり、このチップ内部で液体の移動、反応、分析を行なうものである。その一例として、樹脂製のチップ内に設けられたμｍオーダーの微細な流路に血液を流して、臨床検査を行なう小型分析システムが挙げられる。また特に、このような小型分析システムで微量の液体を所望方向へ所望流量で移動させる送液方法として、ポンプ、バルブなどを用いた機械構造的手法に代えて、電気浸透流の原理を応用した電圧制御送液手法が実用化に向けて検討されている。

ここで、図１を用いて電気浸透流の原理を簡単に説明する。石英板１０１の石英表面１０２は通常水酸基で覆われているが、電解質溶液1０３を石英製キャピラリ１０４に注入すると、水素イオンが電解質溶液１０３中に移動し、その結果、石英表面１０２には負の電荷１０５が生じ、電解質溶液１０３中のカチオン（陽イオン）１０６が石英表面１０２に移動し、ヘルムホルツの電気二重層１０７を生じる。この電位をゼータ電位と呼び、その電位の大きい方が電気浸透流は大きく、石英は特にその電位が高い。

そこで、石英製キャピラリ１０４の両端に正１０８と負１０９の電圧を直流電源１１０から印加すると、そのカチオン１０６が負極１０９側に流れ、その粘性流１１１により電解質溶液１０３自体が負極１０９方向に移動する現象が電気浸透流である。したがって、このような石英製キャピラリ１０４を流路の一部に接続し、石英製キャピラリ１０４の両端にのみ電圧を印加して、流路ともに電解質溶液１０３を満たすと、その石英製キャピラリ１０４に流れる電気浸透流によって流路全体の電解質溶液１０３を移動させることができる。この石英製キャピラリ１０４に相当するものが、電気浸透流ポンプと呼ばれている。

このような電気浸透流ポンプを用いて構成された小型分析システムに関する従来技術としては、例えば、特許文献１に記載の「微量反応装置」がある。この技術は、基板上に内径１００μｍ以下の微細な流路を形成し、金属製の電極からその流路の一部に高電圧（３０ｋＶ程度）を印加することにより生じる電気浸透流を用いて、流路内の試料や反応試薬の移動を制御するものである。このような構成とすることで、微量の試料と反応試薬を微小領域で効率よく反応させることができるとしている。
特開平７−２３２０５６号公報

しかしながら、電気浸透流を生じさせる構造は電気分解装置と同じ構造であるため、上述した従来の「微量反応装置」のように、流路の一部に高電圧を印加して液体を移動させると、水の電気分解が生じて、正極と負極からは酸素ガスと水素ガスがそれぞれ発生する。したがって、電圧の印加時間の経過とともに、これらのガスが流路内で容積を占めるようになってくるため、電気浸透流によって液体が移動する作用よりも、ガスの発生によって液体が押し出されて移動する作用の方が支配的になることがあるという問題があった。

さらに、このような電気分解が生じることによって、流路内を満たす液体（電解質溶液）のｐHが著しく変化してしまい、これが試料の分析に少なからず影響を及ぼしてしまうという問題があった。

ここで一般に、水の電気分解は、電極間に１．１Ｖ以上の電圧を印加すると生じることが知られている。

そこで、本発明の目的は、電気分解が生じない電圧（１．１Ｖ未満）での電気浸透流を利用して、流路内の液体を移動できるようにすることである。

前記目的を達成するために、本発明に係わる液体移動装置は、基板内に形成された流路内の液体を移動させる液体移動装置であって、前記流路に隣接するように接続されて環状に形成された少なくとも一つ以上の環状流路に電圧を印加して発生する電気浸透流を用いて前記環状流路方向に環流を発生させ、発生した前記環状流路内の前記環流により前記流路内の前記液体を移動させる移動手段を有することを特徴とする。

また、本発明に係わる液体移動装置の前記移動手段は、前記環状流路内に設置された複数の電極と、接続して電圧印加する前記電極を切り替えながら前記電極への前記電圧印加を制御する制御部と、前記制御部に電力を供給する電源部とからなることを特徴とする。

また、本発明に係わる液体移動装置は、前記流路を挟むように前記流路に対して対称的に配置された少なくとも１対の前記環状流路を有することを特徴とする。

また、本発明に係わる液体移動装置は、前記流路方向に沿って隣接配置された複数の前記環状流路を有することを特徴とする。

また、本発明に係わる液体移動装置の前記基板は、少なくともシリコン酸化物を含むことを特徴とする。

また、本発明に係わるマイクロリアクタは、上記に記載の液体移動装置と、前記流路上に設けられて前記液体に含まれる試料を検出する検出手段と、を具備することを特徴とする。

また、本発明に係わるマイクロリアクタの前記検出手段は、前記環状流路の設置位置よりも上流側の前記流路上に設けられていることを特徴とする。

また、本発明に係わるマイクロリアクタの前記検出手段は、圧電振動子からなり、前記圧電振動子の発振周波数を測定することによって、前記試料が前記圧電振動子に捕獲される質量を検出することを特徴とする。

また、本発明に係わるマイクロリアクタの前記圧電振動子は、水晶振動子であることを特徴とする。

また、本発明に係わるマイクロリアクタシステムは、上記に記載のマイクロリアクタと、前記検出手段からの検出信号を測定する測定手段と、を具備することを特徴とする。
また、本発明に係わるマイクロリアクタシステムの前記測定手段は、前記圧電振動子に接続されて該圧電振動子を発振させる発振回路と、前記発振回路に接続されて該発振回路に電力を供給する電源部と、前記発振回路に接続されて前記圧電振動子の発振周波数を測定する周波数カウンタと、からなることを特徴とする。

本発明によると、電気分解が生じない電圧（１．１Ｖ未満）での電気浸透流を利用して、流路内の液体を移動させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。
［実施例１］
液体移動装置２００について、図２および図３を参照して以下に説明する。
図２および図３は、本発明の第１の実施例の液体移動装置２００を示した図である。図２は、液体移動装置２００の構造を模式的に表した平面図であり、図３は、液体移動装置２００の構造を表した分解斜視図である。ただし、図３では、液体移動装置２００の制御部２１０と直流電源２１１の図示を省略している。

液体移動装置２００は、簡単に説明すると、液体を移動させる基板（第１の基板２０１と第２の基板２０２）と、その基板に電気的に接続されて液体の移動を制御する部分（制御部２１０と直流電源２１１）とで構成されている。

以下、液体移動装置２００の構造について具体的に説明する。
液体を移動させる基板は、第１の基板２０１と第２の基板２０２が積層された構造になっている。この基板の外寸は、長さ（流路２０５の方向）が５０〜１００［ｍｍ］程度、幅が１０〜２０［ｍｍ］程度、厚さが数［ｍｍ］程度である。第１の基板２０１と第２の基板２０２は、石英ガラスなどの部材を使用する。また、それぞれの基板２０１、２０２は、融着または接着剤などを用いて、互いに位置を合わせて接合することによって積層構造を形成する。各々の基板２０１、２０２について説明すると、第１の基板２０１には、貫通穴と溝を形成することによって、液体が供給される流入口２０３と、液体が排出される流出口２０４と、流入口２０３および流出口２０４に連通して液体の本流となる流路２０５と、流路２０５から分岐して接続された電気浸透流を生じさせる環状流路２０６、２０７と、が設けられている。第２の基板２０２には、環状流路２０６、２０７内に配置されるように複数の電極２０８ａ〜２０８ｇ、２０９ａ〜２０９ｇが蒸着して形成されている。複数の電極２０８ａ〜２０８ｇ、２０９ａ〜２０９ｇには、例えば白金や金などの金属製の電極を用いることができる。

なお、本実施例では、それぞれの環状流路に対して電極を７本ずつ設けているが、各電極間距離を短くするほど、より低電圧で大きな圧力の電気浸透流が得られるため、環状流路内には作製可能な限り多くの電極を配置して、各電極間距離を短くすることが好ましい。また、本実施例では、流路２０５における液体の流れの速度分布を一様にするために、流路２０５に対して環状流路２０６、２０７を互いに対向する位置に２つ設けているが、このことを考慮しなければ、環状流路が１つまたは３つあるいはそれ以上であってもよい。

さらに、第２の基板２０２上に形成された各電極２０８ａ〜２０８ｇ、２０９ａ〜２０９ｇには、それぞれの電極間に印加する電圧の制御を行なうための制御部２１０が電気的に接続された構成となっている。制御部２１０は、各電極２０８ａ〜２０８ｇ、２０９ａ〜２０９ｇに対して電圧を印加する電極を選択して順次切り替えられるような公知であるスイッチング回路を基本とした構成となっている。また、制御部２１０には、電力を供給するための直流電源２１１が電気的に接続された構成となっている。

液体移動装置２００による液体の移動作用について、図４、図５、および図６を参照して以下に説明する。

図４は、図２の液体移動装置２００における液体の移動作用を表した部分拡大図であり、図５は、図２の液体移動装置２００における電圧印加方法を表した部分拡大図であり、図６は、液体移動装置２００における液体の移動方法を示したフローチャートである。

液体の移動作用を簡単に説明すると、液体が充填された流路２０５および環状流路２０６、２０７において、各電極２０８ａ〜２０８ｇ、２０９ａ〜２０９ｇ間に電圧を順次印加して、図４に示すように、環状流路２０６、２０７に沿って電気浸透流による液体の流れ４０１を起こし、流路２０５と環状流路２０６、２０７との接続部４０２で電気浸透流による液体の流れ４０１を流路２０５内の液体に接触させることによって、流路２０５内の液体の流れ４０３が生じる。

以下、液体の移動作用について具体的に説明する。まず、液体を流入口２０４からマイクロピペットなどを用いて注入して、流路２０５および環状流路２０６、２０７内を液体で満たした状態にする（図６のステップ６０１）。液体は、電気浸透流を起こしやすい電解液溶液であれば特に制限はなく、例えば水のように安価なものを利用してもよい。次に、電極２０８ａ（正極）、２０８ｂ（負極）間に１．１Ｖ未満の電圧を一定時間印加すると、電極間で電気浸透流４０１が生起して、液体は電極２０８ａから電極２０８ｂへ向かう方向（反時計回り）に移動する（図５（ａ）、図６のステップ６０２）。

このとき、環状流路２０７側においても、電極２０９ａ（正極）、２０９ｂ（負極）間に１．１Ｖ未満の電圧を一定時間印加すると、電極間で電気浸透流４０１が生起して、液体は電極２０９ａから電極２０９ｂへ向かう方向（時計回り）に移動する。その後、電極２０８ｂ（正極）、２０８ｃ（負極）間および電極２０９ｂ（正極）、２０９ｃ（負極）間に、同様にして電圧をそれぞれ一定時間印加すると、環状流路２０６、２０７内の液体は、電極２０８ｂから電極２０８ｃへ向かう方向（反時計回り）と電極２０９ｂから電極２０９ｃへ向かう方向（時計回り）にそれぞれさらに移動する（図５（ｂ）、図６のステップ６０３）。これ以降も、図６に示したフローチャートに従って、各電極２０８ａ〜２０８ｇ、２０９ａ〜２０９ｇ間に電圧を順次印加していく（図５（ｃ）〜図５（ｇ）、図６のステップ６０４〜６０８）。

各ステップ６０２〜６０８では、電極間に印加する電圧は１．１Ｖ未満と低いため、この電極間で起こる電気浸透流の圧力は小さい。そのため、液体の移動量は小さく、電圧を印加し続けても、やがて液体の移動は停止してしまう。したがって、各電極の電圧印加時間は、電圧を印加してから液体の移動が停止する状態になる前までの時間にする必要がある。

このようにすると、ステップ６０２〜６０８を通じて、液体を連続的に移動し続けることができるので、環状流路２０６、２０７に沿って電気浸透流による液体の流れ４０１が持続的に起こる。さらに、電気浸透流による液体の流れ４０１が、接続部４０２において流路２０５内の液体と接触すると、その接触面で流路２０５内の液体はこの流れ４０１による力を受けて、流路２０５内の液体の流れ４０３が生じる。また、流路２０５内の液体の流れ４０３を停止するには、電気浸透流による液体の流れ４０１を停止すればよく、各電極２０８ａ〜２０８ｇ、２０９ａ〜２０９ｇ間への電圧印加を止めればよい（図６のステップ６０９）。

以上のように、印加電圧１．１Ｖ未満の電気浸透流により液体を環状流路２０６、２０７に沿って移動させることによって、電気分解が生じることなく、流路２０５内の液体を移動させることができる。

本実施例の液体移動装置２００において、液体の移動評価を行なった結果について以下に説明する。

第１の基板２０１と第２の基板２０２には石英ガラスを使用した。流路２０５の断面は５μｍ×５０μｍであり、環状流路２０６、２０７の断面は５μｍ×５μｍである。電極２０８ａ〜２０８ｇ、２０９ａ〜２０９ｇには白金電極を使用し、互いに隣接する電極間距離は全て１０μｍである。流す液体には純水を用いた。印加電圧は１Ｖとし、各電極間への印加時間は０．５秒である。このような条件で、液体移動装置２００を駆動させたところ、流路２０５内の純水を流量１ｎｌ／ｍｉｎで移動させることができた。またこのとき、電極２０８ａ〜２０８ｇ、２０９ａ〜２０９ｇでは、酸素ガスや水素ガスの発生は観測されなかったため、電気分解は生じていないといえる。

以上、本実施形態の液体移動装置２００によれば、低電圧（１．１Ｖ未満）印加による電気浸透流を利用して、流路内の液体を移動させることが可能である。また、低電圧（１．１Ｖ未満）印加であるため、電気分解によるガスの発生や液体のｐＨの変動を抑制することができる。

次に、上記の液体移動装置を含むマイクロリアクタ７００について、図７、図８、および図９を参照して以下に説明する。

図７および図８は、本発明の第１の実施例のマイクロリアクタ７００を示した図である。図７（ａ）は、マイクロリアクタ７００の構造を模式的に表した上面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ´線における断面図であり、図８は、マイクロリアクタ７００の構造を表した分解斜視図である。ただし、図８では、液体移動装置２００の制御部２１０と直流電源２１１の図示を省略している。また、図９は、マイクロリアクタ７００のセンサ（検出手段）として搭載される水晶振動子９００の構造を表した斜視図である。

マイクロリアクタ７００のセンサ（検出手段）として搭載される水晶振動子９００について以下簡単に説明する。水晶振動子９００は、試料溶液に含まれる酵素、抗体、たんぱく質、ホルモンなどの化学物質の微量質量の変化を測定するためのＱＣＭ（Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）型バイオセンサであり、水晶基板９０１の両側面に、一対の電極９０２、９０３と配線９０４とを形成して構成されている。さらに、一側面の電極９０２の表面には、試料溶液に含まれる特定の化学物質（分析対象）のみを捕獲する感応膜が固定化されている。

感応膜の一例として、水晶振動子９００を抗原‐抗体反応のバイオセンサとして応用する場合、電極９０２上に、自己組織化膜（Ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｍｏｎｏｌａｙｅｒ、以下ＳＡＭと記す。）を形成した後、特定の抗原のみを捕獲する抗体をＳＡＭに固定化させる。両電極９０２、９０３に交流電圧を印加すると、逆圧電効果により一定の周波数の振動が励起されるが、分析対象が感応膜により捕獲されると、質量増加Δｍを伴い、その結果として水晶振動子の発振周波数がΔｆだけ変動する。このような分析は、ＤＮＡのハイブリダイゼーション反応、抗原‐抗体反応、たんぱく質の結合、酵素反応など、ガス中、液中を含め様々なバイオ反応に利用することができる。なお、上述の質量増加量Δｍおよび発振周波数の変化量Δｆの関係は、Ｓａｕｅｒｂｒｅｙ（Ｇ．Ｓａｕｅｒｂｒｅｙ、Ｚ． Ｐｈｙｓ．１５５、１９５９、２０６）により導かれている。

マイクロリアクタ７００は、簡単に説明すると、試料溶液を移動させて試料溶液に含まれる特定の化学物質（分析対象）を検出する基板（第１の基板７０１と第２の基板７０２）と、その基板に電気的に接続されて液体の移動を制御する部分（制御部２１０と直流電源２１１）とで構成されている。

以下、マイクロリアクタ７００の構造について具体的に説明する。
試料溶液を移動させて試料溶液に含まれる特定の化学物質（分析対象）を検出する基板は、第１の基板７０１と第２の基板７０２との間に、水晶振動子９００（検出手段）が実装された積層構造になっている。この基板の外寸は、長さ（流路７０５の方向）が５０〜１００［ｍｍ］程度、幅が１０〜２０［ｍｍ］程度、厚さが数［ｍｍ］程度である。第１の基板７０１と第２の基板７０２は、石英ガラスなどの部材を使用する。

また、それぞれの基板７０１、７０２は、融着または接着剤などを用いて、互いに位置を合わせて接合することによって積層構造を形成する。各々の基板７０１、７０２について説明すると、第１の基板７０１には、貫通穴と溝と凹部を形成することによって、液体が供給される流入口７０３と、液体が排出される流出口７０４と、流入口７０３および流出口７０４に連通して液体の本流となる流路７０５と、流路７０５から分岐して接続された電気浸透流を生じさせる環状流路７０６、７０７と、流路７０５に接続され、水晶振動子９００の電極９０２が配置されて試料溶液に含まれる特定の化学物質（分析対象）の検出が行なわれる反応槽７０８と、が設けられている。第２の基板７０２には、環状流路７０６、７０７内に配置されるように複数の電極７０９ａ〜７０９ｇ、７１０ａ〜７１０ｇと、水晶振動子９００を実装するための空隙部７１１と、が設けられている。

なお、水晶振動子９００は、接着剤などを用いて空隙部７１１のエッジ部に接合して実装する。接着剤を使用する場合、硬化硬度が比較的小さなシリコン系などの接着剤が望ましい。反応槽７０８は、環状流路７０６、７０７よりも上流側の流路７０５に設置することが好ましく、このような構成にすると、反応槽７０８内に流れてくる試料溶液は、電極７０９ａ〜７０９ｇ、７１０ａ〜７１０ｇから印加される電圧が直接かからない状態で測定することができる。また、本実施例では、センサ（検出手段）として水晶振動子９００を用いたＱＣＭセンサを例として説明したが、このＱＣＭセンサの代わりに公知のＳＡＷデバイスやカンチレバーを利用したセンサを用いて構成することも容易に可能である。

さらに、第２の基板７０２上に形成された各電極７０９ａ〜７０９ｇ、７１０ａ〜７１０ｇには、それぞれの電極間に印加する電圧の制御を行なうための制御部２１０が電気的に接続された構成となっている。制御部２１０は、各電極７０９ａ〜７０９ｇ、７１０ａ〜７１０ｇに対して電圧を印加する電極を選択して順次切り替えられるような公知であるスイッチング回路を基本とした構成となっている。また、制御部２１０には、電力を供給するための直流電源２１１が電気的に接続された構成となっている。

以上のようにして、試料溶液を分析するための水晶振動子９００からなるセンサ（検出手段）と液体移動装置とからなる構成のマイクロリアクタ７００を形成することができる。このように、本実施形態のマイクロリアクタ７００では、同一基板７０１、７０２内に、環状流路７０６、７０７と電極７０９ａ〜７０９ｇ、７１０ａ〜７１０ｇとからなる液体移動手段と、水晶振動子９００からなるセンサ（検出手段）と、を実装することによって小型かつ多機能なマイクロリアクタの実現が可能である。

次に、上記のOLE_LINK1マイクロリアクタ７００を含むOLE_LINK1マイクロリアクタシステム１０００について、図１０を参照して説明する。

図１０は、本発明の第１の実施例のマイクロリアクタシステム１０００を示した構成図である。

マイクロリアクタシステム１０００は、マイクロリアクタ７００と、マイクロリアクタ７００に試料溶液を供給するために試料溶液が溜められた供給カップ１００１と、マイクロリアクタ７００から排出された試料溶液の廃液が蓄積される廃液タンク１００２と、マイクロリアクタ７００に実装された水晶振動子９００を発振させる発振回路１００３と、発振回路１００３に電力を供給する直流電源１００４と、発振回路１００３を介して水晶振動子９００の発振周波数を測定する周波数カウンタ１００５と、で構成されている。

さらに、マイクロリアクタ７００の流入口７０３と流出口７０４には、供給カップ１００１と廃液タンク１００２がそれぞれ接続されている。制御部２１０は、電極７０９ａ〜７０９ｇ、７１０ａ〜７１０ｇと電気的に接続され、発振回路１００３は、水晶振動子９００と電気的に接続され、また、制御部２１０と発振回路１００３は、直流電源２１１、１００４と電気的にそれぞれ接続されている。周波数カウンタ１００５は、発振回路１００３と電気的に接続されている。

本実施例のマイクロリアクタシステム１０００を、抗原―抗体反応の分析に応用する場合の動作について以下説明する。まず、水晶振動子９００の電極９０２上に、抗体を捕獲可能なＳＡＭ膜などの感応膜を修飾しておく。リン酸などの緩衝液を供給カップ１００１からマイクロピペットを用いて注入して、流路７０５、環状流路７０６、７０７、および反応槽７０８内に緩衝液を満たした状態にした後、抗体を含む溶液を供給カップ１００１にマイクロピペットで滴下しておく。

この状態で、制御部２１０から電極７０９ａ〜７０９ｇ、７１０ａ〜７１０ｇに電圧を印加すると、マイクロリアクタ７００に搭載されている上記の液体移動装置２００が作動して、供給カップ１００１に滴下された抗体を含む溶液は、流路７０５を通り反応槽７０８へと送られる。溶液中の抗体は反応槽７０８内のＳＡＭ膜が修飾されている電極９０２に結合して、電極９０２上に抗体が固定化された状態となる。次に、抗原を含む試料溶液を供給カップ１００１にマイクロピペットで滴下して、試料溶液を流路７０５および反応槽７０８へ送液する。試料溶液中の抗原は電極９０２上に固定化されている抗体と結合反応（抗原―抗体反応）を生じて、電極９０２上のみに抗原が捕獲される。このとき、水晶振動子９００の発振周波数の変化を周波数カウンタ１００５で測定する。この発振周波数の変化量を検出することで、電極９０２上に捕獲された抗原の捕獲量が分かる。
なお、本実施例では、抗原―抗体反応の分析に関して述べたが、例えばＤＮＡのハイブリダイゼーション反応、蛋白質の結合、酵素反応など様々な生化学反応に応用することができる。

このように、本実施形態のマイクロリアクタシステム１０００では、試料溶液に含まれる特定の化学物質をマイクロリアクタ７００内で分析することが可能である。
［実施例２］
液体移動装置１１００について、図１１を参照して以下に説明する。本実施例の液体移動装置１１００は、上記実施例１の液体移動装置２００に、より多くの環状流路を設けたものと同一の構成である。

図１１は、本発明の第２の実施例の液体移動装置１１００を示した図である。図１１（ａ）は、液体移動装置１１００の構造を模式的に表した上面図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＢ−Ｂ´線における断面図である。ただし、図１１では、液体移動装置１１００の制御部と直流電源の図示を省略している。

液体移動装置１１００は、簡単に説明すると、液体を移動させる基板（第１の基板１１０１と第２の基板１１０２）と、その基板に電気的に接続されて液体の移動を制御する部分（図示しない制御部と直流電源）とで構成されている。

以下、液体移動装置１１００の構造について具体的に説明する。
液体を移動させる基板は、第１の基板１１０１と第２の基板１１０２が積層された構造になっている。その基板の外寸は、長さ（流路１１０５の方向）が５０〜１００［ｍｍ］程度、幅が１０〜２０［ｍｍ］程度、厚さが数［ｍｍ］程度である。第１の基板１１０１と第２の基板１１０２は、石英ガラスなどの部材を使用する。また、それぞれの基板１１０１、１１０２は、融着または接着剤などを用いて、互いに位置を合わせて接合することによって積層構造を形成する。各々の基板１１０１、１１０２について説明すると、第１の基板１１０１には、貫通穴と溝を形成することによって、液体が供給される流入口１１０３と、液体が排出される流出口１１０４と、流入口１１０３および流出口１１０４に連通して液体の本流となる流路１１０５と、流路１１０５から分岐して接続された電気浸透流を生じさせる環状流路１１０６、１１０７、１１０８、１１０９と、が設けられている。第２の基板１１０２には、環状流路１１０６、１１０７、１１０８、１１０９内に配置されるように複数の電極１１１０ａ〜１１１０ｇ、１１１１ａ〜１１１１ｇ、１１１２ａ〜１１１２ｇ、１１１３ａ〜１１１３ｇが蒸着して形成されている。複数の電極１１１０ａ〜１１１０ｇ、１１１１ａ〜１１１１ｇ、１１１２ａ〜１１１２ｇ、１１１３ａ〜１１１３ｇには、例えば白金や金などの金属製の電極を用いることができる。

なお、本実施例では、それぞれの環状流路に対して電極を７本ずつ設けているが、各電極間距離を短くするほど、より低電圧で大きな圧力の電気浸透流が得られるため、環状流路内には作製可能な限り多くの電極を配置して、各電極間距離を短くすることが好ましい。また、本実施例では、流路１１０５における液体の流れの速度分布を一様にするために、流路１１０５に対して環状流路１１０６、１１０７および環状流路１１０８、１１０９を互いに対向する位置に設けているが、このことを考慮しなければ、環状流路１１０６、１１０７、１１０８、１１０９が流路１１０５に対して互いに対向する位置になくてもよく、例えば流路１１０５の片側のみにあってもよい。また、本実施例では、環状流路１１０６、１１０７、１１０８、１１０９を４つ配置しているが、環状流路の数を増やすほど、より低電圧で流路１１０５を流れる液体の流量を大きくすることができるため、環状流路の数は４つ以上であってもよい。

さらに、第２の基板１１０２上に形成された各電極１１１０ａ〜１１１０ｇ、１１１１ａ〜１１１１ｇ、１１１２ａ〜１１１２ｇ、１１１３ａ〜１１１３ｇには、それぞれの電極間に印加する電圧の制御を行なうための実施例１と同様の制御部が電気的に接続された構成となっている。制御部は、各電極１１１０ａ〜１１１０ｇ、１１１１ａ〜１１１１ｇ、１１１２ａ〜１１１２ｇ、１１１３ａ〜１１１３ｇに対して電圧を印加する電極を選択して順次切り替えられるような公知であるスイッチング回路を基本とした構成となっている。また実施例１と同様、制御部には、電力を供給するための直流電源が電気的に接続された構成となっている。

液体移動装置１１００による液体の移動作用について、図１２を参照して以下に説明する。液体移動装置１１００による液体の移動作用は、上記実施例１における液体移動装置による液体の移動作用と実質的に同一であり、環状流路の数が増えたことによって電圧を印加するための電極の数が多くなっただけである。

図１２は、液体移動装置１１００における液体の移動方法を示したフローチャートである。

液体の移動作用を簡単に説明すると、液体が充填された流路１１０５および環状流路１１０６、１１０７、１１０８、１１０９において、各電極１１１０ａ〜１１１０ｇ、１１１１ａ〜１１１１ｇ、１１１２ａ〜１１１２ｇ、１１１３ａ〜１１１３ｇ間に電圧を順次印加して、上記実施例１で示した図４と同様に、環状流路１１０６、１１０７、１１０８、１１０９に沿って電気浸透流による液体の流れを起こし、流路１１０５と環状流路１１０６、１１０７、１１０８、１１０９との接続部で電気浸透流による液体の流れを流路１１０５内の液体に接触させることによって、流路１１０５内の液体の流れが生じる。

以下、液体の移動作用について具体的に説明する。まず、液体を流入口１１０４からマイクロピペットなどを用いて注入して、流路１１０５および環状流路１１０６、１１０７、１１０８、１１０９内を液体で満たした状態にする（図１２のステップ１２０１）。液体は、電気浸透流を起こしやすい電解液溶液であれば特に制限はなく、例えば水のように安価なものを利用してもよい。次に、電極１１１０ａ（正極）、１１１０ｂ（負極）間および電極１１１２ａ（正極）、１１１２ｂ（負極）間に、１．１Ｖ未満の電圧を一定時間印加すると、電極間で電気浸透流が生起して、液体は電極１１１０ａから電極１１１０ｂおよび電極１１１２ａから電極１１１２ｂへ向かう方向（反時計回り）にそれぞれ移動する（図１２のステップ６０２）。このとき、環状流路１１０７、１１０９側においても、電極１１１１ａ（正極）、１１１１ｂ（負極）間および電極１１１３ａ（正極）、１１１３ｂ（負極）間に、１．１Ｖ未満の電圧を一定時間印加すると、各電極間で電気浸透流が生起して、液体は電極１１１１ａから電極１１１１ｂおよび電極１１１３ａから電極１１１３ｂへ向かう方向（時計回り）にそれぞれ移動する。

その後、電極１１１０ｂ（正極）、１１１０ｃ（負極）間、電極１１１１ｂ（正極）、１１１１ｃ（負極）間、電極１１１２ｂ（正極）、１１１２ｃ（負極）間、および電極１１１３ｂ（正極）、１１１３ｃ（負極）間に、同様にして電圧をそれぞれ一定時間印加すると、環状流路１１０６、１１０７、１１０８、１１０９内の液体は、電極１１１０ｂから電極１１１０ｃおよび電極１１１２ｂから電極１１１２ｃへ向かう方向（反時計回り）と、電極１１１１ｂから電極１１１１ｃおよび電極１１１３ｂから電極１１１３ｃへ向かう方向（時計回り）にそれぞれさらに移動する（図１２のステップ１２０３）。

これ以降も、図１２に示したフローチャートに従って、各電極１１１０ａ〜１１１０ｇ、１１１１ａ〜１１１１ｇ、１１１２ａ〜１１１２ｇ、１１１３ａ〜１１１３ｇ間に電圧を順次印加していく（図１２のステップ１２０４〜１２０８）。各ステップ１２０２〜１２０８では、電極間に印加する電圧は１．１Ｖ未満と低いため、この電極間で起こる電気浸透流の圧力は小さい。そのため、液体の移動量は小さく、電圧を印加し続けても、やがて液体の移動は停止してしまう。

したがって、各電極の電圧印加時間は、電圧を印加してから液体の移動が停止する状態になる前までの時間にする必要がある。このようにすると、ステップ１２０２〜１２０８を通じて、液体を連続的に移動し続けることができるので、環状流路１１０６、１１０７、１１０８、１１０９に沿って電気浸透流による液体の流れが持続的に起こる。さらに、電気浸透流による液体の流れが、接続部において流路１１０５内の液体と接触すると、その接触面で流路１１０５内の液体は、この電気浸透流による流れの力を受けて、流路１１０５内の液体の流れが生じる。また、流路１１０５内の液体の流れを停止するには、電気浸透流による液体の流れを停止すればよく、各電極１１１０ａ〜１１１０ｇ、１１１１ａ〜１１１１ｇ、１１１２ａ〜１１１２ｇ、１１１３ａ〜１１１３ｇ間への電圧印加を止めればよい（図１２のステップ１２０９）。
以上のように、印加電圧１．１Ｖ未満の電気浸透流により液体を環状流路１１０６、１１０７、１１０８、１１０９に沿って移動させることによって、電気分解が生じることなく、流路１１０５内の液体を移動させることができる。

本実施例の液体移動装置１１００において、液体の移動評価を行なった結果について以下に説明する。

第１の基板１１０１と第２の基板１１０２には石英ガラスを使用した。流路１１０５の断面は５μｍ×５０μｍであり、環状流路１１０６、１１０７、１１０８、１１０９の断面は５μｍ×５μｍである。電極１１１０ａ〜１１１０ｇ、１１１１ａ〜１１１１ｇ、１１１２ａ〜１１１２ｇ、１１１３ａ〜１１１３ｇには白金電極を使用し、互いに隣接する電極間距離は全て１０μｍである。流す液体には純水を用いた。印加電圧は１Ｖとし、各電極間への印加時間は０．５秒である。このような条件で、液体移動装置１１００を駆動させたところ、流路１１０５内の純水を流量２ｎｌ／ｍｉｎで移動させることができた。またこのとき、電極１１１０ａ〜１１１０ｇ、１１１１ａ〜１１１１ｇ、１１１２ａ〜１１１２ｇ、１１１３ａ〜１１１３ｇでは、酸素ガスや水素ガスの発生は観測されなかったため、電気分解は生じていないといえる。

このように、本実施例では、環状流路を上記実施例１よりも多く設けることによって、上記実施例１と同じ印加電圧（１Ｖ）を用いて、流路内を流れる液体の流量を上記実施例１よりも増やすことが可能である。また、本実施例よりも環状流路をさらに増やせば、本実施例と同じ印加電圧（１Ｖ）で、流路内を流れる液体の流量をより増加させることもできる。

なお、本実施例の液体移動装置１１００は、上記実施例１において使用する液体移動装置と置き換えて用いることができる。すなわち、上記実施例１におけるマイクロリアクタ７００またはマイクロリアクタシステム１０００に対して、本実施例の液体移動装置１１００を上記実施例１の液体移動装置の代わりに使用することが可能である。したがって、上記実施例１におけるマイクロリアクタ７００またはマイクロリアクタシステム１０００に本実施例の液体移動装置１１００を搭載した実施形態は、液体移動装置の構成以外、上記実施例１におけるマイクロリアクタ７００またはマイクロリアクタシステム１０００と実質的に同一の構成であるため、その説明を省略する。

電気浸透流の原理を示した説明図である。 本発明の実施例１の液体移動装置の構造を模式的に示す平面図である。 本発明の実施例１の液体移動装置の構造を示す分解斜視図である。 本発明の実施例１の液体移動装置における液体の移動作用を説明するための部分拡大図である。 本発明の実施例１の液体移動装置における電圧印加方法を説明するための分拡大図である。 本発明の実施例１の液体移動装置における送液制御方法を示すフローチャートである。 図７（ａ）は、マイクロリアクタの構造を模式的に示す上面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ´断面図である。 本発明の実施例１のマイクロリアクタの構造を示す分解斜視図である。 本発明の実施例１のマイクロリアクタのセンサとして搭載される水晶振動子の構造を示す斜視図である。 本発明の実施例１のマイクロリアクタシステムを示す構成図である。 図１１（ａ）は、本発明の実施例２の液体移動装置の構造を模式的に示す上面図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＢ−Ｂ´断面図である。 本発明の実施例２の液体移動装置における送液制御方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１０１ 石英板
１０２ 石英表面
１０３ 電解質溶液
１０４ 石英製キャピラリ
１０５ 負の電荷
１０６ カチオン
１０７ 電気二重層
１０８ 正極
１０９ 負極
１１０ 直流電源
１１１ 粘性流
２００ 液体移動装置
２０１ 第１の基板
２０２ 第２の基板
２０３ 流入口
２０４ 流出口
２０５ 流路
２０６ 環状流路
２０７ 環状流路
２０８ａ〜２０８ｇ 電極
２０９ａ〜２０９ｇ 電極
２１０ 制御部
２１１ 直流電源
４０１ 電気浸透流による液体の流れ
４０２ 接続部
４０３ 流路２０５内の液体の流れ
７００ マイクロリアクタ
７０１ 第１の基板
７０２ 第２の基板
７０３ 流入口
７０４ 流出口
７０５ 流路
７０６ 環状流路
７０７ 環状流路
７０８ 反応槽
７０９ａ〜７０９ｇ 電極
７１０ａ〜７１０ｇ 電極
７１１ 空隙部
９００ 水晶振動子
９０１ 水晶基板
９０２ 電極
９０３ 電極
９０４ 配線
１０００ マイクロリアクタシステム
１００１ 供給カップ
１００２ 廃液タンク
１００３ 発振回路
１００４ 直流電源
１００５ 周波数カウンタ
１１００ 液体移動装置
１１０１ 第１の基板
１１０２ 第２の基板
１１０３ 流入口
１１０４ 流出口
１１０５ 流路
１１０６ 環状流路
１１０７ 環状流路
１１０８ 環状流路
１１０９ 環状流路
１１１０ａ〜１１１０ｇ 電極
１１１１ａ〜１１１１ｇ 電極
１１１２ａ〜１１１２ｇ 電極
１１１３ａ〜１１１３ｇ 電極

Claims (10)

1. 基板内に形成された流路内の液体を移動させる液体移動装置であって、
   前記流路に隣接するように接続されるとともに環状に形成された少なくとも一つの環状流路を備え、該環状流路に電圧を印加して発生する電気浸透流を用いて前記環状流路に沿って環流を発生させ、前記環流により前記流路内の液体を移動させる移動手段を有し、
   前記移動手段は、前記環状流路内に設置された複数の電極と、
   前記複数の電極に対して電圧を印加する電極を選択して順次切り替え制御を行う制御部と、
   前記制御部に電力を供給する電源部と
   を備えることを特徴とする液体移動装置。
2. 基板内に形成された流路内の液体を移動させる液体移動装置であって、
   前記流路に隣接するように接続されるとともに環状に形成された少なくとも一つの環状流路を備え、該環状流路に電圧を印加して発生する電気浸透流を用いて前記環状流路に沿って環流を発生させ、前記環流により前記流路内の液体を移動させる移動手段を有し、
   前記流路を挟むように前記流路に対して対称的に配置された少なくとも１対の前記環状流路を有することを特徴とする液体移動装置。
3. 基板内に形成された流路内の液体を移動させる液体移動装置であって、
   前記流路に隣接するように接続されるとともに環状に形成された少なくとも一つの環状流路を備え、該環状流路に電圧を印加して発生する電気浸透流を用いて前記環状流路に沿って環流を発生させ、前記環流により前記流路内の液体を移動させる移動手段を有し、
   前記流路方向に沿って隣接配置された複数の前記環状流路を有することを特徴とする液体移動装置。
4. 前記基板は、少なくともシリコン酸化物を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の液体移動装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の液体移動装置と、
   前記流路上に設けられて前記液体に含まれる化学物質の質量変化を検出する検出手段と を具備することを特徴とするマイクロリアクタ。
6. 前記検出手段は、前記環状流路の設置位置よりも上流側の前記流路上に設けられていることを特徴とする請求項５に記載のマイクロリアクタ。
7. 前記検出手段は、圧電振動子からなり、前記圧電振動子の発振周波数を測定することによって、前記圧電振動子に捕獲される前記化学物質の質量変化を検出することを特徴とする請求項５または６のいずれかに記載のマイクロリアクタ。
8. 前記圧電振動子は、水晶振動子であることを特徴とする請求項７に記載のマイクロリアクタ。
9. 請求項５から８のいずれかに記載のマイクロリアクタと、
   前記検出手段からの検出信号を測定する測定手段と
   を具備することを特徴とするマイクロリアクタシステム。
10. 前記測定手段は、
    前記圧電振動子に接続されて該圧電振動子を発振させる発振回路と、
    前記発振回路に接続されて該発振回路に電力を供給する電源部と、
    前記発振回路に接続されて前記圧電振動子の発振周波数を測定する周波数カウンタと
    を備えることを特徴とする請求項９に記載のマイクロリアクタシステム。

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