JP5610258B2

JP5610258B2 - 送液装置

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Publication number: JP5610258B2
Application number: JP2009208513A
Authority: JP
Inventors: 博章鈴木; シリブンバンダンパパオーン
Original assignee: University of Tsukuba NUC
Current assignee: University of Tsukuba NUC
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2009-09-09
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2029-09-09
Also published as: JP2011058943A

Description

本発明は、送液装置に関し、特に、化学、生物学、医学、ナノテクノロジー等の研究分野で用いられる、微量な流体を制御して送液する送液装置に関するものである。

近年、チップ上で化学反応を進行させ分析を行う微小化学分析システム（μTAS）、あるいは、ガラス等の小さな基板に微細な溝やくぼみを刻んだチップに、化学反応、細胞培養、分離検出等のラボプロセス（実験室での工程）を集積化させたラブ・オン・チップ（実験室チップ、Lab on a Chip）の研究が、活発に行われている。これは、上述のように、従来の分析システムあるいは化学実験室を、手のひらに乗る程度まで微小化しようとするものである。

分析システム等を微小化することにより、（１）サンプル、試薬量の微量化、（２）応答の高速化、（３）ハイスル−プット化、などの効果が実現される。これら微小化された分析システム（以下、微小システムという）の用途はさまざまであるが、このような微小システム上では、微量な流体を制御して送液することが必要となる。特に、すべての要素が集積化された送液装置の実現が期待される。

微量な流体を制御して送液する装置として、機械的なマイクロポンプ、マイクロバルブの研究が既に１９８０年代より進められている。しかし、これらを集積化した高度な送液装置の構築はこれまでほとんど成功していない。これは、構造的に高度な集積化が難しいところに原因があるものと思われる。このため、微小な流路中に微小な流体（例えば溶液等）を導入し送液したい場合には、市販のマイクロシリンジポンプを利用している場合が多い。もちろん、基礎研究等、目的によってはこれで十分な場合もあるであろうが、マイクロシリンジポンプを用いると携帯性が損なわれてしまう。また、マイクロシリンジポンプは非常に高価である。

そこで、比較的複雑な微小流路中を送液する手段としては、電気浸透流を利用する送液機構がある。電気浸透流は、ガラス管等に接した溶液が高電圧下で示す移動現象であり、例えばＤＮＡなどを測定対象としたキャピラリー電気泳動を用いた分析で、通常発生する。なお、キャピラリー電気泳動は、主に石英ガラス中に形成された微小流路末端に形成されたＤＮＡ等の粒子の入った溶液の液溜めに電極を挿入し、数百Ｖから数千Ｖの高電圧を印加して微小流路中の溶液を移動させる現象である。電気浸透流を利用した送液機構（以下、電気浸透流ポンプという）は構造的に極めて単純で、複雑な流路ネットワーク中での送液も容易である。

ところで、電気浸透流に関連して、例えば下記の特許文献１には、電気泳動を抑え、電気浸透流によりキャピラリーに資料を注入するキャピラリー電気泳動装置の資料注入装置が開示されている（特許文献１参照）。

しかしながら、従来型のマイクロポンプ、マイクロバルブにおいては、駆動電圧や消費電力が大きくなってしまう問題を有する。具体的には、例えば駆動電圧も少ないものでも数十Ｖで、それに伴い消費電力も問題になっていた。さらに、流路が微小化すればするほど、界面張力等の影響が大きくなり、流路中を流れる流体の抵抗が増大する。このため、特にマイクロポンプ、マイクロバルブのような従来型の機械的ポンプを用いる場合には、送液が困難になるという問題があった。また、電気浸透流ポンプにおいても、同様に、高電圧が必要であるため問題となるとともに、消費電力も無視できないほど大きくなってしまう。

そこで、簡単な構造を有し、ほとんど電力を消費せず、流路が微小化してもスムーズな送液を行うことができ、さらには、順次、複数の流体の注入、排出も含めた、一連の送液制御を効率的に行うことができる、微小送液システムの高度集積化の実現を提供するための送液装置として、特許文献２に開示される送液装置が提案されている。

特許文献２に開示される送液装置は、疎水性領域が一部に形成された親水性の流路面を有する、第１の基板と、流路面と対向する位置は親水性にされており、疎水性領域に対向する位置に作用電極が形成された第２の基板と、参照電極と、を具備し、流路面と第２の基板との間は距離を有して配置されることにより、流路面と前記第２の基板との間に、流路空間が形成される送液装置であって、流体を第１の基板と第２の基板との間に配置し、かつ、該流体を、参照電極と作用電極とに接触させた状態で、参照電極と作用電極との間に電位差を生じさせることにより、流体が流路空間を移動することについて制御を行うことを特徴としている。

また、特許文献３では、電気化学的原理を用いて微量な流体を制御して送液する高度に集積化した送液装置を開示している。

さらに、特許文献４では、電解質を有する流体を流路中に送液する送液装置において、流体を一定量だけ分割して送液できるようにした送液装置が開示されている。

また、金電極と銀／塩化銀を微小流路中に形成し、ポテンショスタットにより金電極電位を制御して、送液制御を行う送液装置や、流路に沿った方向に長い電極を形成し、電極面での濡れ性の変化を利用して送液を行う送液装置が報告されている（非特許文献１参照）。さらに、流路の一部に金電極が形成され、外部から電圧を印加することによる電極面での濡れ性の変化を利用してバルブとして用いる送液装置が報告されている（非特許文献２参照）。

特開平５−１４２１９８号公報特開２００６−２２０６０６号公報特開２００６−３４８９０６号公報特開２００９−６６４６４号公報

W.Satoh et al.「On-Chip Microfluidic Transport and Mixing Using Electrowetting and Incorporation of Sensing Functions」Analytical Chemistry, 77(2005)6857 W.Satoh et al.「Electrowetting-based valve for the control of the capillary flow」Journal Applied Physics, 103(2008)034903

しかしながら、従来型のマイクロポンプ、マイクロバルブ等の液体制御素子を集積化した送液装置においては、マイクロポンプやマイクロバルブ等を駆動するには、外部から電圧を印加する必要があるため、電圧を印加するための外部装置を接続する必要があった。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、外部装置を用いなくても、流路に溶液を注入するだけで自動的にバルブ操作が行われる送液装置を提供することにある。

本発明に係る送液装置は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。

第１の送液装置（請求項１に対応）は、電解液を一方側から他方側に流す送液装置であって、共に基板中に形成された２つの流路を有し、一方の流路の一方側の端部には、第１の液溜め部を備え、第１の液溜め部の流路への出口側にバルブ部が配置され、他方の流路の一方側の端部には、第２の液溜め部を備え、第２の液溜め部の流路への出口側から所定の距離に操作部が配置され、前記バルブ部は、エレクトロウェッティング作用を有するバルブ電極を備え、操作部は、電解液と接触することにより電池作用により電位が変化する親水性の操作電極を備え、バルブ部のバルブ電極と操作部の前記操作電極が基板上において電気的に接続されていることを特徴とする。

第２の送液装置（請求項２に対応）は、電解液を一方側から他方側に流す送液装置であって、共に基板中に形成された２つの流路を有し、第１の流路の一方側の端部には、第１の液溜め部を備え、第１の液溜め部の流路への出口側から順番にバルブ部と操作部が交互に配置され、第２の前記流路の一方側の端部には、第２の液溜め部を備え、第２の液溜め部の流路への出口側から順番に操作部とバルブ部が交互に配置されており、バルブ部は、エレクトロウェッティング作用を有するバルブ電極を備え、操作部は、電解液と接触することにより電池作用により電位が変化する親水性の操作電極を備え、２つの流路のそれぞれに交互に配置されたバルブ部のバルブ電極と操作部の操作電極がそれぞれ基板上において電気的に接続されていることを特徴とする。

第３の送液装置（請求項３に対応）は、電解液を一方側から他方側に流す送液装置であって、少なくとも１つの液溜め部と液溜め部の出口側にバルブ部を配置した流路と、液溜め部から延ばした少なくとも１つの操作部を配置した流路とが、共に基板中に形成され、バルブ部は、エレクトロウェッティング作用を有するバルブ電極を備え、操作部は、電解液と接触することにより電池作用により電位が変化する親水性の操作電極を備え、バルブ部のバルブ電極と操作部の操作電極がそれぞれ基板上において電気的に接続されていることを特徴とする。

第４の送液装置（請求項４に対応）は、電解液を一方側から他方側に流す送液装置であって、基板中に形成された流路の一部にバルブ部と操作部が接して設けられ、バルブ部は、エレクトロウェッティング作用を有するバルブ電極を備え、操作部は、電解液と接触することにより電池作用により電位が変化する親水性の操作電極を備え、バルブ部の前記バルブ電極と操作部の前記電極が接していることにより基板上において電気的接続がなされていることを特徴とする。

第５の送液装置（請求項５に対応）は、電解液を流す送液装置であって、２つの液溜め部からそれぞれ伸び、基板中に形成された２つの流路と２つの流路の境界に混合部を有し、２つの液溜め部とは別の液溜め部から所定の距離に操作部を有する流路を具備し、混合部は、エレクトロウェッティング作用を有する混合電極を備え、操作部は、電解液と接触することにより電池作用により電位が変化する親水性の操作電極を備え、混合部の混合電極と操作部の操作電極が基板上において電気的に接続されていることを特徴とする。

第６の送液装置（請求項６に対応）は、上記の構成において、好ましくは、バルブ電極は、金から形成されていることを特徴とする。

第７の送液装置（請求項７に対応）は、上記の構成において、好ましくは、混合電極は、金から形成されていることを特徴とする。

第８の送液装置（請求項８に対応）は、上記の構成において、好ましくは、操作電極は、亜鉛から形成され、第１の液溜め部と第２の液溜め部に銀／塩化銀電極を設け、第１の液溜め部の銀／塩化銀電極と第２の液溜め部の銀／塩化銀電極を電気的に接続し、液溜め部に電解液を入れ、銀／塩化銀電極と操作電極が電解液で浸されることによって電池を形成することを特徴とする。

第９の送液装置（請求項９に対応）は、上記の構成において、好ましくは、流路は、ガラス基板とポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）基板で形成されることを特徴とする。

本発明によれば、外部からの制御なしに、自律的に送液制御を行える送液装置を実現することができる。

送液の原理を示す模式的な図である。本発明の第１実施形態に係る送液装置の平面図（ａ）とＡ−Ａ’断面図（ｂ）である。本発明の第１実施形態に係る送液装置を分解した平面図である。本発明の第１実施形態に係る送液装置の作用について説明する図である。本発明の第１実施形態に係る送液装置の作用について説明する図である。本発明の第１実施形態に係る送液装置の作製方法を説明するフローチャートである。本発明の第１実施形態に係る送液装置の第１の変形例の平面図（ａ）とＡ−Ａ’断面図（ｂ）である。本発明の第１実施形態に係る送液装置の第２の変形例の平面図（ａ）とＡ−Ａ’断面図（ｂ）である。本発明の第２実施形態に係る送液装置の平面図（ａ）とＢ−Ｂ’断面図（ｂ）である。本発明の第２実施形態に係る送液装置の作用について説明する図である。本発明の第２実施形態に係る送液装置の作用について説明する図である。本発明の第２実施形態に係る送液装置の作用について説明する図である。本発明の第２実施形態に係る送液装置の作用について説明する図である。本発明の第３実施形態に係る送液装置の平面図である。本発明の第３実施形態に係る送液装置の作用について説明する図である。本発明の第３実施形態に係る送液装置の作用について説明する図である。本発明の第３実施形態に係る送液装置の作用について説明する図である。本発明の第４実施形態に係る送液装置の平面図である。本発明の第４実施形態に係る送液装置の作用について説明する図である。本発明の第４実施形態に係る送液装置の作用について説明する図である。本発明の第４実施形態に係る送液装置の作用について説明する図である。本発明の第５実施形態に係る送液装置の平面図である。本発明の第５実施形態に係る送液装置の作用について説明する図である。本発明の第５実施形態に係る送液装置の作用について説明する図である。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

本発明は、電極と流体（特には電解液）界面との界面張力は、電極電位により制御することができるという現象（この制御する方式を、エレクトロウエッティングという）に基づいている。

まず、上記エレクトロウェッティングに基づく送液の原理について説明する。図１は、送液の原理を示す模式的な図である。図１には、ガラス基板１０上に形成された金から形成される電極１１上に、液滴１２がのせられている状態の側断面図が示されている。液滴１２は、例えば電解液である。

図１の場合、液滴１２がのせられて接触している電極１１には、電源１３が接続されている。また、液滴１２には、電源１３からスイッチ１４を介して参照電極９が接触している。電極１１上に液滴１２がのせられ、かつ、参照電極９に液滴１２が接触した状態において、スイッチ１４をオンにして電極１１に電圧を印加することにより、電極１１と参照電極９との間に電位差を生じさせる。図１（ａ）は、電圧を印加する前の状態であり、図１（ｂ）は、電圧を印加している状態である。

図１（ａ）、（ｂ）に示されるように、電圧を印加する前における液滴１２の電極１１に対する接触角θ（図１（ａ）参照）よりも、電圧を印加した状態における液滴１２の電極１１に対する接触角θ’（図１（ｂ）参照）の方が小さくなる。つまり、電圧を印加すると、電極１１上は濡れやすくなる。

これは、次のような原理によると考えられる。図１（ｂ）に示されるように、矢印１５ａは気体と固体との間に生じる界面張力であり、矢印１５ｂは気体と液体との間に生じる界面張力、矢印１５ｃは固体と液体との間に生じる界面張力である。電極１１と参照電極９との間に電位差を生じさせると、固体である電極１１と、液体である液滴１２との間の（電極１１―液滴１２界面の）界面張力（矢印１５ｃ）が低下する。言い換えれば、液滴１２により電極１１が濡れやすい状態となる。そして、気体と固体との間の界面張力（矢印１５ａ）により、液滴１２は電極１１上を進み、送液されることになる。電圧の印加をやめて電極１１と参照電極９との間の電位差をゼロに戻すと送液は止まる。

なお、電極１１と液滴１２との間の（電極１１−液滴１２界面の）界面張力（矢印１５ｃ）に影響を及ぼしているのは、液滴１２中のイオンの電極１１表面への吸着である。より負の電位に変化させると陽イオンの吸着が、より正の電位に変化させると陰イオンの吸着が支配的になる。

図２は、本発明の第１実施形態に係る送液装置の平面図（ａ）とＡ−Ａ’断面図（ｂ）である。送液装置２０は、例えば、第１の基板２１と第２の基板２２によって形成される２つの流路２３，２４を有している。２つの流路２３，２４のうち、一方の流路２３の端部には、第１の液溜め部２５を備えている。第１の液溜め部２５の流路２３への出口２６側にはバルブ部２７が配置されている。他方の流路２４の端部には、第２の液溜め部２８を備えている。第２の液溜め部２８の流路２４への出口２９側から所定の距離に操作部３０が配置されている。

第１の基板２１は、例えば、ガラス基板で形成され、第２の基板２２は、例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）で形成されている。

バルブ部２７は、図１で示したエレクトロウェッティング作用を有する電極（バルブ電極）３１を備えている。バルブ電極３１は、例えば、金などを用いる。なお、バルブ電極３１は、金の他、カーボン又はビスマスで形成しても良い。バルブ電極３１の電位が変化したとき、水素等が発生せず、送液に影響しにくいからである。

操作部３０は、電解液と接触することにより電池作用により電位が変化する操作電極３２を備えている。操作電極３２は、例えば、親水性を有する亜鉛から形成され、第２の液溜め部２８に、例えば、銀／塩化銀からなる参照電極３３を設けている。すなわち、銀から成る電極基板と、この電極基板上に形成された塩化銀から成る膜層と、（以下、銀／塩化銀、又は、Ａｇ／ＡｇＣｌという）から形成される。第２の液溜め部２８に電解液を入れ、銀／塩化銀参照電極３３と操作電極３２が電解液で浸されることによって電池を形成する。なお、参照電極３３を銀／塩化銀で形成することにより、電解液を導入して電池を形成したときに参照電極３３の電位があまり変化しないという利点がある。また、第１の液溜め部２５には、参照電極３３と同様な参照電極３４が設けられている。そして、参照電極３３と参照電極３４は、金などの配線３３ａによって電気的接続がなされている。

バルブ部２７のバルブ電極３１と操作部３０の操作電極３２は、金などの配線３５によって、電気的接続がなされている。

バルブ電極３１と操作電極３２と参照電極３３，３４と配線３５は、ガラス基板からなる第１の基板２１上に形成されている。流路部２３，２４は、第２の基板２２に形成されている。

第２の基板２２において、流路部２３，２４は凹状に形成されており、流路面３６を有する。具体的には、凹状に形成された細長い流路部２３，２４の底面が流路面３６，３７となっている。ここで、流路面とは、流路を形成している基板の表面をいう。

流路面３６，３７は、疎水性である。第１の基板２１の流路面３６，３７と対向するガラス面は、親水性である。

また、第２の基板２２において、凹状の第１の液溜め部（リザーバー）２５と第２の液溜め部２８が形成されている。第１の液溜め部２５は、流路面２３に沿って送液すべき流体（溶液、液滴、サンプル）を、溜めておくためのものである。第２の液溜め部２８は、流路面２４に沿って送液すべき流体（電解液）を、溜めておくためのものである。なお、第１の液溜め部２５には、流体を導入するための導入口３８が形成され、第２の液溜め部２８には、流体を導入するための導入口３９が形成されている。

第２の基板２２は、例えば樹脂材料から成り、シリコーンゴム、アクリル、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の材料が考えられる。本実施形態では、基板２２は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）で形成されている（基板２２をＰＤＭＳ基板ともいう）。このような樹脂材料で基板２２を形成することにより、加工が簡単である利点を有する。

なお、基板２２をガラス等の他の材料により形成することもできる。この場合、ジメチルジクロロシラン等の疎水性部位を有するシランカップリング剤で処理すればよい。こうして、同様に、疎水性の流路面３６，３７を有する基板２２を形成することができる。

図３（ａ）（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る送液装置２０を分解した平面図である。図３（ａ）に示される、流路部２３，２４や液溜め部２５，２８が形成された基板２２の面が、ひっくり返され、図３（ｂ）に示される、バルブ電極３１と操作電極３２と参照電極３３，３４と配線３３ａと配線３５が形成されたガラス基板２１の面と、対向される。この際、基板２２の流路面３６，３７とガラス基板２１との間は距離を有して配置される。本実施形態では、流路面３６，３７とガラス基板２１との間は所定の距離ｈを保って配置される。こうして送液装置２０が組み立てられ完成される（図２（ａ）（ｂ）参照）。流路面３６，３７とガラス基板２１との間が距離を有して配置されることにより、送液装置２０には、流路面３６，３７と、ガラス基板２１との間に、つまり具体的には、流路面３６，３７と、この流路面３６，３７に対向する位置にあるガラス基板２１上の親水性の領域及びこの親水性の領域と並んで設けられているバルブ電極３１との間に、流路２３が形成されることとなる。

本発明の本実施形態に係る送液装置２０では、上述のような構成の疎水性の流路面３６，３７を有する基板２２と、バルブ電極３１等が形成されたガラス基板２１とが、夫々別々に作製される。そして、既に述べたように、バルブ電極３１等が形成されたガラス基板２１の面と、流路部２３，２４等が形成された基板２２の面とを対向させて、組み立てられ完成される。このとき、送液装置２０では、基板２２の流路部２３が凹上に形成されていることにより、図２（ｂ）に示されるように、流路面３６，３７とガラス基板２１との間、より正確には流路面３６，３７とガラス基板２１の面との間は距離を有して、具体的には、所定の間隔（距離）ｈを保って配置されることになる。

なお、図２（ｂ）では、バルブ電極３１の厚みを誇張して図示しているが、実際には、バルブ電極３１の厚みは考慮しなくてもよいほど薄いので、流路面３６とガラス基板２１の面２１ａとの間の所定の間隔（距離）ｈは、流路面３６とガラス基板２１上に形成されたバルブ電極３１の上面との間の間隔（距離）と、同じと考えられる。また、たとえバルブ電極３１等のガラス基板２１上に形成された電極の厚みを考慮する必要がある場合でも、ガラス基板２１の面２１ａ（上面）と流路面３６との間の距離が決まれば、ガラス基板２１上で所定の厚みを有する電極の上面と流路面３６との間の距離は自ずと決まるため、本実施形態では、ガラス基板２１の上面と流路面３６との間の距離を基準にしている。

本実施形態では、流路面３６とガラス基板２１との間に間隔（距離）を有して配置するために、基板２２の流路部２３，２４が凹状に形成された。一方、流路部を平坦又は凸状に形成してもよい。つまり、平坦な流路部の平面、又は凸状に形成された流路部の上面が流路面となるように、基板を形成してもよい。この場合、この流路部が形成された基板とガラス基板２１との間に例えばスペーサーを挿入することにより、流路面とガラス基板２１との間に間隔（距離）を有して、送液装置２０が組み立てられる。スペーサーを用いる構成では、上記間隔（距離）を容易に調節することができる利点がある。

このようにして、流路面３６，３７とガラス基板２１との間に距離を有することにより、流路２３，２４が形成される。なお、本実施形態では、流路面３６，３７とガラス基板２１との間は、所定の距離ｈが保たれているが、流路面３６，３７とガラス基板２１との間は、流路空間が形成されるように距離を有すればよく、所定の距離ｈを保っている場合に限られない。例えば徐々に流路面３６とガラス基板２１との間の距離が小さくなって流路空間が狭まっていくような場合、又は、徐々に流路面３６とガラス基板２１との間の距離が大きくなって流路空間が広がっていくような場合等でもよい。このように、流路面とガラス基板等の第２の基板との間に流路空間が形成されるように距離を有すれば足りることは、後述する他の実施形態においても同様である。

次に、本発明の第１実施形態に係る送液装置２０の作用について図４および図５を参照して説明する。図４および図５は、図２で示される送液装置２０内に、送液される流体４０が配置されている状態が示されている。流体４０は、図４および図５において斜線で示されている。図４（ｂ）および図５（ｂ）は、送液装置２０の側断面図である。図４（ｂ）および図５（ｂ）においても、送液装置２０内に、送液される流体４０が配置されている状態が示されている。

送液装置２０において、基板２２に設けられた導入口３８から送液させるべき流体４０を導入する。本実施形態では、流体４０として例えばＫＣｌ溶液が使用される。導入された流体４０は、基板２２とガラス基板２１との間、具体的には、基板２２に形成された液溜め部２５とガラス基板２１との間に配置される。このとき、液溜め部２５に溜められている流体４０は、ガラス基板２１上の参照電極３４、及びバルブ電極３１、具体的にはバルブ電極３１の末端部３１ａに接触された状態である。このとき、基板２２上の疎水性の流路面３６にも流体４０が接触するが、流体４０は、この疎水性の流路面３６とバルブ電極３１とで挟まれた流路空間２３ａを超えられずに、留まっている。（図４（ａ），（ｂ）参照）。

バルブ電極３１の電位は、流体４０中のイオンの吸着、より望ましくは、陽イオンの吸着により界面張力の変化が引き起こされる電位の範囲内に設定される。界面張力の変化が引き起こされる電位の範囲は、送液装置２０の流路面３６とガラス基板２１との間の距離（本実施形態では所定の間隔ｈ）、ガラス基板２１や基板２２の材料及び疎水性の度合い、流路面３６及びバルブ電極３１の表面状態等により異なる。

この状態で、基板２２に設けられた導入口３９から電解液４１を導入する。本実施形態では、電解液４１として例えばＫＣｌ溶液が使用される。導入された電解液４１は、基板２２とガラス基板２１との間、具体的には、基板２２に形成された液溜め部２８とガラス基板２１との間に配置される。このとき、液溜め部２８に溜められている電解液４１は、ガラス基板２１上の参照電極３３に接触された状態で流路２４を流れていく。そして、亜鉛から形成された操作電極３２に電解液４１が到達したならば、銀／塩化銀電極（参照電極）３３と電解液４１と亜鉛からなる操作電極３２とで電池を形成し、亜鉛の電位が配線３５による電気的接続によってバルブ電極３１の電位が界面張力の変化が引き起こされる電位の範囲内の例えば負の適切な値に変化させる。すると、バルブ電極３１は、濡れやすくなる結果、流体４０は、バルブ電極３１を超えて広がり、疎水性の流路面３６とバルブ電極３１とで挟まれた流路空間２３ａ中およびその先の流路内、つまり、流路面３６とガラス基板２１の親水性の領域とで挟まれた流路２３を、毛管現象により移動する（進む）。このようにして流体４０が送液される（図５（ａ），（ｂ）参照）。

上記のように疎水性の流路面３６とバルブ電極３１とで挟まれた流路２３を流体４０が送液されるのは、既に述べたように、参照電極３３と操作電極３２と電解液４１による電池作用により亜鉛電極３２の電位が配線３５による電気的接続によりバルブ電極３１の電位が変化することにより、バルブ電極３１と流体４０との間（バルブ電極３１−流体４０界面）の界面張力が低下し、流体４０はバルブ電極３１上で濡れやすくなることによる。そして、上記のように毛管現象を合わせて利用することにより、さらに、流路面３６とガラス基板２１の親水性の領域とで挟まれた流路２３を、送液できるのである。

流体４０とバルブ電極３１を始めとする電極との間（流体４０−電極界面）の界面張力に影響を及ぼしているのは、イオンの電極表面への吸着である。バルブ電極３１をより負の電位に変化させる場合は、電極表面への陽イオンの吸着が、バルブ電極３１をより正の電位に変化させる場合は、電極表面への陰イオンの吸着が支配的になる。

前者の場合、即ち、バルブ電極３１をより負の電位に変化させて電極表面に陽イオンが吸着する場合には、イオンの種類によりバルブ電極３１と流体４０界面での界面張力に大きな影響はでない。参照電極３４等を含む電極に影響はでない（イオンの種類により依存しない）。

一方、後者の場合、即ち、バルブ電極３１をより正の電位に変化させて電極表面に陰イオンが吸着する場合には、イオンの種類によりバルブ電極３１と流体４０界面での界面張力に大きな影響が出る。したがって、再現性良く送液を行うためには、バルブ電極３１に負の電圧（電位）を印加するのが好ましい。従って、操作電極３２は、電池を形成したときに負の電極となる金属を用いることが好ましい。

なお、操作電極３２の第２の液溜め部２８の出口２９からの距離を適当な距離にすることにより、流路２４を流れる流体の進行速度に応じて操作電極３２に流体が到達する時間を調節することができ、それにより、流路２３でのバルブ部２７を開く時間を調節することができる。

次に、第１実施形態に係る送液装置２０の作製方法を図６を参照して説明する。

送液装置２０の作製方法は、流路および液溜め部形成工程（ステップＳ１１）と、電極および配線形成工程（ステップＳ１２）と、基板貼り合わせ工程（ステップＳ１３）からなる。

ステップＳ１１の流路および液溜め部形成工程は、シリコーンゴム、アクリル、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の材料やＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）で形成されている（基板２２をＰＤＭＳ基板ともいう）樹脂材料からなる第２の基板２２において、凹状の流路２３，２４と凹状の第１の液溜め部（リザーバー）２５と第２の液溜め部２８と導入口３８，３９を形成する。

ステップＳ１２の電極および配線形成工程は、次の通りである。
（１）基板２１に例えば４０ｎｍのクロム層を介して、膜厚２００ｎｍの金層をスパッタリングにて形成する。
（２）金層を形成した基板２１上にポジ型フォトレジストをスピンコーティングし、８０℃でベーキングを３０分行う。
（３）フォトマスクを通し、マスクアライナーで露光後、現像、リンスを行う。
（４）基板２１を金のエッチング液に浸漬して、露出した部分の金層を除去する。純水で洗浄、乾燥後、基板２１をアセトン中に浸漬し、フォトレジストを溶解、除去し、アセトンで洗浄する。次に、基板２１をクロムのエッチング液に浸漬して、露出した部分のクロム層を除去し、純水で洗浄後、乾燥する。
（５）その後、純水で洗浄・乾燥する。こうして、バルブ電極３１が形成される。
（６）上記と同様にして、基板２１の上面にも参照電極３３，３４の下地を構成する金層を形成する。
（７）基板２１の上面に、上記と同様にして、ポジ型フォトレジストをスピンコーティングし、８０℃でベーキングを３０分行った後、フォトマスクを通し、マスクアライナーで露光を行う。
（８）基板２１をトルエン中に浸漬し、ポストベークを行った後、露光したフォトレジストを現像液中で現像後、純水でリンスし、乾燥させる。
（９）（８）の基板２１上に例えば膜厚４００ｎｍの銀層をスパッタリングにて形成する。
（１０）基板２１をアセトン中に浸漬し、フォトレジストを溶解、除去し、アセトンで洗浄する。これにより、基板２１の上面に、参照電極３３，３４が形成される。
（１１）また、亜鉛をめっきすることにより操作電極３２を形成する。

ステップＳ１３の基板張り合わせ工程は、ステップＳ１１とステップＳ１２で形成した２つの基板を貼り合わせる。これは接着剤を用いることもできるし、別の２枚の基板に挟み込み、軽く圧力を加えて固定することもできる。このようにして、送液装置２０を作製することができる。

以上のように、本実施形態に係る送液装置２０は、２つの流路２３，２４を有し、一方の流路２３の端部には、第１の液溜め部２５を備え、第１の液溜め部２５の流路２３への出口側にバルブ部２７が配置され、他方の流路２４の端部には、第２の液溜め部２８を備え、第２の液溜め部２８の流路２４への出口側から所定の距離に操作部３０が配置されている送液装置２０であって、バルブ部２７は、エレクトロウェッティング作用を有するバルブ電極３１を備え、操作部３０は、電解液と接触することにより電池作用により電位が変化する操作電極３２を備え、バルブ部２７のバルブ電極３１と操作部３０の操作電極３２が電気的接続がなされているため、外部からの制御なしに、自律的に送液制御を行える送液装置を実現することができる。

なお、本実施形態において、液溜め部２５，２８には、同一の電解液を用いるようにしたが、異なる電解液を用いて送液を行うようにしてもよい。

なお、本実施形態では、銀／塩化銀電極等の参照電極を使用したが、亜鉛電極上での電池作用による電位の変化により金電極が分極しているのであれば、これだけでもバルブ操作を行えることが予想される。そこで、図７で示すように、参照電極がなく、第１の液溜め部２５と第２の液溜め部２８を流路２８ａで連結した第１の変形例や、図８で示すように、参照電極がなく流路２８ａもない第２の変形例のように、銀／塩化銀電極を形成せず、金電極と亜鉛電極のみのデバイスで同様の実験を試みたところ、この場合も同様の液の動きが観察された。これは、ポテンショスタット等の外部の駆動用装置を用いなくても、亜鉛と金からなる単純な電極のみで自動的なバルブ操作が行えることを示している。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態では、流路にバルブ電極と操作電極を交互に複数設けたものである。基板や電極の材料は、第１実施形態の送液装置２０で用いたものと同様のものを用いる。それゆえ、構成する材料等の説明は省略する。

図９は、本発明の第２実施形態に係る送液装置の平面図とＢ−Ｂ’断面図である。送液装置５０は、例えば、第１の基板２１と第２の基板２２によって形成される２つの流路５１，５２を有している。２つの流路５１，５２のうち、一方の流路５１の端部には、第１の液溜め部２５を備えている。第１の液溜め部２５の流路５１への出口２６側には順番にバルブ部２７−１，２７−２，２７−３と操作部３０−１，３０−２，３０−３が交互に配置されている。他方の流路５２の端部には、第２の液溜め部２８を備えている。第２の液溜め部２８の流路５２への出口２９側から順番に操作部３０−４，３０−５，３０−６とバルブ部２７−４，２７−５，２７−６が交互に配置されている。

また、バルブ部２７−１，２７−２，２７−３，２７−４，２７−５，２７−６には、それぞれ、バルブ電極３１−１，３１−２，３１−３，３１−４，３１−５，３１−６が設けられている。操作部３０−１，３０−２，３０−３，３０−４，３０−５，３０−６には、操作電極３２−１，３２−２，３２−３，３２−４，３２−５，３２−６が設けられている。そして、バルブ電極３１−１と操作電極３２−４は配線３５−１により、電気的接続がなされ、バルブ電極３１−４と操作電極３２−１は配線３５−２により、電気的接続がなされ、バルブ電極３１−２と操作電極３２−５は配線３５−３により、電気的接続がなされ、バルブ電極３１−５と操作電極３２−２は配線３５−４により、電気的接続がなされ、バルブ電極３１−３と操作電極３２−６は配線３５−５により、電気的接続がなされ、バルブ電極３１−６と操作電極３２−３は配線３５−６により、電気的接続がなされている。

次に、本発明の第２実施形態に係る送液装置５０の作用について図９〜図１３を参照して説明する。図１０〜図１３は、図９で示される送液装置５０内に、送液される流体４０が配置されている状態が示されている。流体４０は、図１０〜図１３において斜線で示されている。図９（ｂ）〜図１３（ｂ）は、送液装置５０の側断面図である。図１０（ｂ）〜図１３（ｂ）においても、送液装置５０内に、送液される流体４０が配置されている状態が示されている。

送液装置５０において、基板２２に設けられた導入口３８から送液させるべき流体４０を導入する。本実施形態では、流体４０として例えばＫＣｌ溶液が使用される。導入された流体４０は、基板２２とガラス基板２１との間、具体的には、基板２２に形成された液溜め部２５とガラス基板２１との間に配置される。このとき、液溜め部２５に溜められている流体４０は、バルブ電極３１−１の末端部に接触された状態である。このとき、基板２２上の疎水性の流路面３６にも流体４０が接触するが、流体４０は、この疎水性の流路面３６とバルブ電極３１とで挟まれた流路空間５１ａを超えられずに、留まっている。（図１０（ａ）（ｂ）参照）。

この状態で、基板２２に設けられた導入口３９から送液させるべき電解液４０を導入する。本実施形態では、電解液４０として例えばＫＣｌ溶液が使用される。導入された電解液４０は、基板２２とガラス基板２１との間、具体的には、基板２２に形成された液溜め部２８とガラス基板２１との間に配置される。このとき、液溜め部２８に留められている電解液４０は、流路５２を流れていく。そして、亜鉛から形成された操作電極３２−４に電解液が到達したならば、亜鉛電極上での電池作用による電位の変化により金からなるバルブ電極３１−１が分極する。それにより、バルブ電極３１−１は、濡れやすくなる結果、流体４０は、バルブ電極３１−１を超えて広がり、疎水性の流路面３６とバルブ電極３１−１とで挟まれた流路空間５１ａ中およびその先の親水性流路内、つまり、流路面３６とガラス基板２１の親水性の領域とで挟まれた流路空間５１を、毛管現象により移動する（進む）。このようにして流体４０が送液される（図１１（ａ）（ｂ）参照）。

次に、流路５２の操作電極３２−４を超えた流体４０は、ガラス基板２１上のバルブ電極３１−４、具体的にはバルブ電極３１−４の末端部に接触された状態である。このとき、基板２２上の疎水性の流路面３７にも流体４０が接触するが、流体４０は、この疎水性の流路面３７とバルブ電極３１−４とで挟まれた流路空間５２ｂを超えられずに、留まっている。

この状態で、流体４０は、流路５１を流れていく。そして、亜鉛から形成された操作電極３２−１に電解液が到達したならば、亜鉛電極上での電池作用による電位の変化により金からなるバルブ電極３１−４が分極する。それにより、バルブ電極３１−４は、濡れやすくなる結果、流体４０は、バルブ電極３１−４を超えて広がり、疎水性の流路面３７とバルブ電極３１−４とで挟まれた流路空間５２ｂ中およびその先の親水性流路内、つまり、流路面３７とガラス基板２１の親水性の領域とで挟まれた流路空間５２を、毛管現象により移動する（進む）。このようにして流体４０が送液される（図１２（ａ）（ｂ）参照）。

さらに、流路５１の操作電極３２−１を超えた流体４０は、ガラス基板２１上のバルブ電極３１−２、具体的にはバルブ電極３１−２の末端部に接触された状態である。このとき、基板２２上の疎水性の流路面３６にも流体４０が接触するが、流体４０は、この疎水性の流路面３６とバルブ電極３１−２とで挟まれた流路空間５１ｂを超えられずに、留まっている（図１２（ａ）（ｂ）参照）。

この状態で、流体４０は、流路５２を流れていく。そして、亜鉛から形成された操作電極３２−５に電解液が到達したならば、亜鉛電極上での電池作用による電位の変化により金からなるバルブ電極３１−２が分極する。それにより、バルブ電極３１−２は、濡れやすくなる結果、流体４０は、バルブ電極３１−２を超えて広がり、疎水性の流路面３６とバルブ電極３１−２とで挟まれた流路空間５１ｂ中およびその先の親水性流路内、つまり、流路面３６とガラス基板２１の親水性の領域とで挟まれた流路空間５１を、毛管現象により移動する（進む）。このようにして流体４０が送液される（図１３（ａ）（ｂ）参照）。

上記のように疎水性の流路面とバルブ電極とで挟まれた流路空間を流体４０が送液されるのは、既に述べたように、操作電極の電解液による電池作用による電位の変化によりバルブ電極が分極し、電位が変化することにより、バルブ電極と流体４０との間（バルブ電極−流体界面）の界面張力が低下し、流体４０はバルブ電極上で濡れやすくなることによる。そして、上記のように毛管現象を合わせて利用することにより、さらに、流路面とガラス基板２１の親水性の領域とで挟まれた流路空間を、送液できるのである。

以上のように、流路５１，５２に設けられたバルブ電極３１−１，３１−２，３１−３，３１−４，３１−５，３１−６は、操作部３０−１，３０−２，３０−３，３０−４，３０−５，３０−６の亜鉛電極の電解液による電池作用による電位の変化により、金電極が分極し、電位が変化することにより、流体４０を通すことができるようになり、外部からの制御なしに、自律的に送液制御を行える送液装置を実現することができる。

なお、操作電極３２−１，３２−２，３２−３，３２−４，３２−５，３２−６の第２の液溜め部２５，２８の出口２６，２９からの距離を適当な距離にすることにより、流路５１，５２を流れる流体の進行速度に応じて操作電極３２−１，３２−２，３２−３，３２−４，３２−５，３２−６に流体が到達する時間を調節することができ、それにより、流路５１，５２でのバルブ部２７−１，２７−２，２７−３，２７−４，２７−５，２７−６を開く時間を調節することができる。

なお、本実施形態では、液溜め部に参照電極を設けず、また、２つの液溜め部を流路で連結しない例を示したが、第１実施形態と同様に液溜め部に参照電極を設けるようにしても同様の効果を得ることができる。また、第１実施形態の第１の変形例で示したような参照電極を設けずに、２つの液溜め部を流路で連結するようにしても同様の効果が得られる。

次に、第３実施形態を説明する。第３実施形態では、少なくとも１つの液溜め部と液溜め部の出口側にバルブ部を配置した流路と、液溜め部から延ばした少なくとも１つの操作部を配置した流路を有するものである。基板や電極の材料は、第１実施形態で用いたものと同様のものを用いる。それゆえ、装置を構成する基板と電極の材料等の説明は省略する。

図１４は、本発明の第３実施形態に係る送液装置の平面図である。送液装置６０は、例えば、第１の基板２１と第２の基板２２によって形成される少なくとも１つの液溜め部（図１４では５つの液溜め部６１〜６５）と液溜め部６２〜６５の出口側にそれぞれバルブ部６６〜６９を配置した流路７０〜７３と、液溜め部６１から延ばした少なくとも１つの操作部（図１４では４つの操作部７４〜７７）を配置した流路７８を、備えている。

バルブ部６６〜６９には、それぞれバルブ電極８０〜８３を設けてあり、操作部７４〜７７には、それぞれ操作電極８４〜８７を設けている。バルブ電極８０と操作電極８４は、配線９０によって電気的接続がなされている。バルブ電極８１と操作電極８５は、配線９１によって電気的接続がなされている。バルブ電極８２と操作電極８６は、配線９２によって電気的接続がなされている。バルブ８３と操作電極８７は、配線９３によって電気的接続がなされている。

次に、本発明の第３実施形態に係る送液装置６０の作用について図１４〜図１７を参照して説明する。図１５〜図１７は、図１４で示される送液装置６０内に、送液される流体４０が配置されている状態が示されている。流体４０は、図１５〜図１７において斜線で示されている。

送液装置６０において、基板２２に設けられた液溜め部６１〜６５に送液させるべき流体４０を導入する。本実施形態では、流体４０として例えばＫＣｌ溶液が使用される。導入された流体４０は、基板２２とガラス基板２１との間、具体的には、基板２２に形成された液溜め部６１〜６５とガラス基板２１との間に配置される。このとき、液溜め部６２〜６５に留められている流体４０は、バルブ電極８０〜８３、具体的にはバルブ電極８０〜８３の末端部に接触された状態である。このとき、基板２２上の疎水性の流路面にも流体４０が接触するが、流体４０は、この疎水性の流路面とバルブ電極８０〜８３とで挟まれたバルブ部６６〜６９の流路空間を超えられずに、留まっている。

この状態で、液溜め部６１に留められている電解液４０は、流路７８を流れていく。そして、亜鉛から形成された操作電極８４に電解液４０が到達したならば、亜鉛電極上での電池作用による電位の変化により金からなるバルブ電極８０が分極する。それにより、バルブ電極８０は、濡れやすくなる結果、流体４０は、バルブ電極８０を超えて広がり、疎水性の流路面とバルブ電極８０とで挟まれたバルブ部６６の流路空間中およびその先の親水性流路内、つまり、流路面とガラス基板２１の親水性の領域とで挟まれた流路７０を、毛管現象により移動する（進む）。このようにして流体４０が送液される（図１５参照）。

次に、送液装置６０において、液溜め部６１に留められている電解液４０は、流路７８を流れていく。そして、亜鉛から形成された操作電極８５に電解液４０が到達したならば、亜鉛電極上での電池作用による電位の変化により金からなるバルブ電極８１が分極する。それにより、バルブ電極８１は、濡れやすくなる結果、流体４０は、バルブ電極８１を超えて広がり、疎水性の流路面とバルブ電極８１とで挟まれたバルブ部６７の流路空間中およびその先の親水性流路内、つまり、流路面とガラス基板２１の親水性の領域とで挟まれた流路７１を、毛管現象により移動する（進む）。このようにして流体４０が送液される（図１６参照）。

さらに、送液装置６０において、液溜め部６１に留められている電解液４０は、流路７８を流れていく。そして、亜鉛から形成された操作電極８６に電解液４０が到達したならば、亜鉛電極上での電池作用による電位の変化により金からなるバルブ電極８２が分極する。それにより、バルブ電極８２は、濡れやすくなる結果、流体４０は、バルブ電極８２を超えて広がり、疎水性の流路面とバルブ電極８２とで挟まれたバルブ部６８の流路空間中およびその先の親水性流路内、つまり、流路面とガラス基板２１の親水性の領域とで挟まれた流路７２を、毛管現象により移動する（進む）。このようにして流体４０が送液される（図１７参照）。

以上のように、流路７０〜７３に設けられたバルブ電極８０〜８３は、操作電極８４〜８７上を電解液が通過したことにより、電位が変化することにより、流体４０を通すことができるようになり、外部からの制御なしに、自律的に送液制御を行える送液装置を実現することができる。

なお、操作電極８４，８５，８６，８７の液溜め部６１の出口からの距離を適当な距離にすることにより、流路７８を流れる流体の進行速度に応じて操作電極８４，８５，８６，８７に流体が到達する時間を調節することができ、それにより、流路７０でのバルブ部６６を開く時間と、流路７１でのバルブ部６７を開く時間と、流路７２でのバルブ部６８を開く時間と、流路７３でのバルブ部６９を開く時間を調節することができる。

次に、第４実施形態を説明する。第４実施形態では、流路の一部にバルブ部と操作部を接して設けている。基板と電極は、第１実施形態で用いたものと同様のものを用いる。それゆえ、装置の基板と電極の材料の説明は省略する。

図１８は、本発明の第４実施形態に係る送液装置の平面図である。送液装置１００は、液溜め部１０１，１０２，１０３を備え、それぞれの液溜め部１０１，１０２，１０３から流路１０１ａ，１０２ａ，１０３ａが設けられている。流路１０１ａと流路１０２ａは、一部にバルブ部１０４と操作部１０５を接して設けた流路１０６によって連結されている。また、流路１０２ａには、バルブ部１０７が設けられている。さらに、流路１０２ａと流路１０３ａは、一部にバルブ部１０８と操作部１０９を接して設けた流路１１０によって連結されている。また、流路１０３ａには、バルブ部１１１が設けられている。

バルブ部１０４のバルブ電極１０４ａと操作部１０５の操作電極１０５ａは、接触しており、また、バルブ部１０７のバルブ電極１０７ａは、操作電極１０５ａと配線１１２により電気的接続をしている。さらに、バルブ部１０８のバルブ電極１０８ａと操作部１０９の操作電極１０９ａは、接触しており、また、バルブ部１１１のバルブ電極１１１ａは、操作電極１０９ａと配線１１３により電気的接続をしている。なお、図１８の右下には、バルブ部１０４と操作部１０５を拡大して示している。

次に、本発明の第４実施形態に係る送液装置１００の作用について図１８〜図２１を参照して説明する。図１９〜図２１は、図１８で示される送液装置１００内に、送液される流体４０が配置されている状態が示されている。流体４０は、図１９〜図２１において斜線で示されている。

送液装置１００において、基板２２に設けられた液溜め部１０１，１０２，１０３の導入口から送液させるべき流体４０を導入する。本実施形態では、流体４０として例えばＫＣｌ溶液が使用される。導入された流体４０は、基板２２とガラス基板２１との間、具体的には、基板２２に形成された液溜め部１０１，１０２，１０３とガラス基板２１との間に配置される。このとき、液溜め部１０２，１０３に留められている流体４０は、ガラス基板２１上のバルブ電極１０４ａ，１０７ａ，１０８ａ，１１１ａの末端部に接触された状態である。流体４０は、バルブ電極１０４ａ，１０７ａ，１０８ａ，１１１ａが設けられたバルブ部１０４，１０７，１０８，１１１の流路空間を超えられずに、留まっている。（図１９参照）。

この状態で、基板２２に設けられた液溜め部１０１の導入口から送液させるべき電解液４０を導入する。本実施形態では、電解液４０として例えばＫＣｌ溶液が使用される。導入された電解液４０は、基板２２とガラス基板２１との間、具体的には、基板２２に形成された液溜め部１０１とガラス基板２１との間に配置される。このとき、液溜め部１０１に留められている電解液４０は、流路１０１ａを流れていく。そして、亜鉛から形成された操作電極１０５ａに電解液が到達したならば、亜鉛電極上での電池作用による電位の変化により金からなるバルブ電極１０４ａが分極する。それにより、バルブ電極１０４ａとバルブ電極１０７ａは、濡れやすくなる結果、流体４０は、バルブ電極１０４ａと１０７ａを超えて広がり、バルブ部１０４，１０７の流路空間中およびその先の親水性流路内、つまり、流路面とガラス基板２１の親水性の領域とで挟まれた流路空間を、毛管現象により移動する（進む）。このようにして流体４０が送液される（図２０参照）。

さらに、電解液４０が流路１１０を流れ、亜鉛から形成された操作電極１０９ａに電解液が到達したならば、亜鉛電極上での電池作用による電位の変化により金からなるバルブ電極１０８ａが分極する。それにより、バルブ電極１０８ａとバルブ電極１１１ａは、濡れやすくなる結果、流体４０は、バルブ電極１０８ａと１１１ａを超えて広がり、バルブ部１０８，１１１の流路空間中およびその先の親水性流路内、つまり、流路面とガラス基板２１の親水性の領域とで挟まれた流路空間を、毛管現象により移動する（進む）。このようにして流体４０が送液される（図２１参照）。

以上のように、流路１０２ａ，１０３ａ，１０６，１１０に設けられたバルブ電極１０４ａ，１０７ａ，１０８ａ，１１１ａは、操作電極１０５ａ，１０９ａの電解液による電池作用による電位の変化により、金電極が分極し、電位が変化することにより、流体４０を通すことができるようになり、外部からの制御なしに、自律的に送液制御を行える送液装置を実現することができる。

なお、操作電極１０５ａの液溜め部１０１の出口からの距離を適当な距離にすることにより、流路１０１ａを流れる流体の進行速度に応じて操作電極１０５ａに流体が到達する時間を調節することができ、それにより、バルブ部１０４，１０７を開く時間を調節することができる。また、操作電極１０９ａのバルブ部１０７からの距離を適当な距離にすることにより、流路１１０を流れる流体の進行速度に応じて操作電極１０９ａに流体が到達する時間を調節することができ、それにより、バルブ部１０８，１１１を開く時間を調節することができる。

次に、第５実施形態を説明する。第５実施形態では、２つの液溜め部から伸びた２つの流路と２つの流路の境界に混合部を有し、２つの液溜め部とは別の液溜め部から所定の距離に操作部を有する流路からなる。そして、混合部は、エレクトロウェッティング作用を有する混合電極を備え、操作部は、電解液と接触することにより電池作用により電位が変化する操作電極を備え、混合部の混合電極と操作部の操作電極が電気的接続がなされている。基板と操作電極は、第１実施形態で用いたものと同様の材料を用いる。それゆえ、基板、操作電極を構成する材料等の説明は省略する。

第５実施形態に係る送液装置２００が第１実施形態の送液装置２０と異なる特徴の一つは、流路空間を移動する流体を、混合させるための混合電極が設けられていることである。混合電極は、第１実施形態で説明したバルブ電極と同じ機能を有する電極であるが、複数の異なる流体を混合させる目的で用いられる電極である。

図２２は、本発明の第５実施形態に係る送液装置の平面図である。送液装置２００は、例えば、２つの液溜め部２０１，２０２から伸びた２つの流路２０３，２０４と２つの流路の境界に混合部２０５を有している。また、２つの液溜め部２０１，２０２とは別の液溜め部２０６から所定の距離に操作部２０７を有する流路２０８からなる。

また、混合部２０５には、混合電極２１０が設けられている。操作部２０７には、操作電極２１１が設けられている。そして、混合電極２１０と操作電極２１１は配線２１２により、電気的接続がなされている。

次に、本発明の第５実施形態に係る送液装置２００の作用について図２２〜図２４を参照して説明する。図２３と図２４は、図２２で示される送液装置２００内に、送液される流体２５０，２５１が配置されている状態が示されている。流体２５０，２５１は、図２３と図２４において斜線で示されている。

送液装置２００において、基板２２に設けられた導入口２０１，２０２から送液させ混合させるべき流体２５０，２５１を導入する。導入された流体２５０，２５１は、基板２２とガラス基板２１との間、具体的には、基板２２に形成された液溜め部２０１，２０２とガラス基板２１との間に配置される。このとき、液溜め部２０１に溜められている流体２５０は、ガラス基板２１上の混合電極２１０の端部２１０ａに接触された状態である。流体２５０は、混合部２０５の流路空間を超えられずに、留まっている。また、液溜め部２０２に溜められている流体２５１は、ガラス基板２１上の混合電極２１０のもう一方の端部２１０ｂに接触された状態である。流体２５１は、混合部２０５の流路空間を超えられずに、留まっている。（図２３参照）。

この状態で、基板２２に設けられた液溜め部２０６の導入口から電解液４０を導入する。本実施形態では、電解液４０として例えばＫＣｌ溶液が使用される。導入された電解液４０は、基板２２とガラス基板２１との間、具体的には、基板２２に形成された液溜め部２０６とガラス基板２１との間に配置される。このとき、液溜め部２０６に留められている電解液４０は、流路２０８を流れていく。そして、亜鉛から形成された操作電極２１１に電解液が到達したならば、亜鉛電極上での電池作用による電位の変化により金からなる混合電極２１０が分極する。それにより、混合電極２１０は、濡れやすくなる結果、流体２５０と流体２５１は、混合電極２１０を超えて広がり、疎水性の流路面と混合電極２１０とで挟まれた流路空間中を、毛管現象により移動する（進む）。このようにして流体２５０と流体２５１が混合される（図２４参照）。

第５実施形態の送液装置２００において、流路２０３，２０４と流路面とで挟まれる流路空間に流体を送液するしくみや駆動方法は、第１実施形態の送液装置２０と同様である。

つまり、混合電極２１０は、バルブ電極と同様に、電位を変化させ流体を送液させる駆動電極としての役割を有し、例えばバルブ電極と同様の材料から成る。このような混合電極２１０は、ガラス基板２１に用いるフォトマスクのパターンを変更するだけで、第１実施形態と同様に、容易に形成することができる。

以上のように、第５実施形態に係る送液装置によれば、混合電極２１０が配線２１２によって電気的接続された操作電極２１１により電位の変化がなされると自動的に流体の混合がなされ、外部からの制御なしに、自律的に送液制御を行える送液装置を実現することができる。

なお、操作電極２１１の液溜め部２０６の出口からの距離を適当な距離にすることにより、流路２０８を流れる流体の進行速度に応じて操作電極２１１に流体が到達する時間を調節することができ、それにより、混合部２０５を開く時間を調節することができる。

なお、上述した第１〜第５の実施形態を適宜組み合わせた送液装置を作製することも、もちろん可能である。

本発明によれば、バルブ電極に電位を変化させることにより、流体の界面張力を利用して、容易に流体の移動を制御し、スムーズに送液、排出させることができる。このため、従来の複雑であった送液装置の構造を簡単化することができる。

なお、本発明の上記各実施形態では、第２の基板であるガラス基板２１又は基板２２と、第１の基板である基板２２に形成された凹状の流路部が有する流路面とで挟まれる流路空間を、流体が送液され又は排出される流路として用いた。一方、既に述べたように、第１の基板において流路部が必ずしも凹状に形成される場合に限られない。例えば第１の基板上の平面を流路面とする構成にすることも可能である。この場合、平面状の流路面を有する第１の基板と、バルブ電極等が形成された第２の基板とで、送液装置が構成される。また、流路部を凸状に形成しその上面を流路面とする第１の基板と、バルブ電極等が形成された第２の基板とで、送液装置を構成することも考えられる。

次に、上述の第２〜第５の実施形態で説明した送液装置に対して行った実験について述べる。図９で示した構造を、原理確認用の送液装置として用いた。２つの流路５１，５２をガラス基板２１とポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）基板２２で形成した。ガラス基板２１上には電池を構成する亜鉛電極と銀／塩化銀電極およびバルブとなる金電極を形成した。銀／塩化銀電極は２つの流路の溶液導入口に形成し、亜鉛電極と金電極はそれぞれの流路中および流路間で交互に形成した。一方の流路中の亜鉛電極ともう一方の流路中の金電極を接続した組み合わせを６組形成した。

片方の流路中の亜鉛電極と銀／塩化銀電極で電池が形成され、金電極に電位が印加される。これにより、溶液はバルブ部分を通過し、その後、電池の形成と、溶液のバルブ部分の通過が交互に起こる。

次に、より複雑な送液制御を行うため、それぞれの素子を単純化し、金電極と亜鉛電極のみからなるデバイス（送液装置）も作製した。さらに、化学分析への応用の可能性を示すため、２つの区画に満たされた溶液を別の制御用流路中を流れる溶液の進行に合わせて混合する機構を作製した。また、グルコース溶液とグルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ，４００Ｕ／ｍｌ）、西洋わさびペルオキシダーゼ（ＨＲＰ，１００Ｕ／ｍｌ）およびＡｍｐｌｅｘＲｅｄ（１ｍＭ）を含む溶液を混合し、生成物ｒｅｓｏｒｕｆｉｎの蛍光強度の変化より、グルコース濃度を求めた。

次に、実験結果について述べる。まず、図９の送液装置の機能を調べた。流路５１に溶液を導入し、これがＰＤＭＳ流路と金電極で構成されたバルブ部に到達すると、溶液はここで停止した（図１０）。次に、流路５２に溶液を導入し、これが亜鉛電極を通過すると、流路５１に静止していた溶液はバルブ部分を通過し、次のバルブまで移動した（図１１〜図１３）。以後、同様にして、２つの溶液中の溶液が交互に進行することが確認された。

図１４〜図１７で示した第３実施形態についての実験も行い、異なる流路ネットワーク中での逐次送液を行い、制御用流路における送液に連動し、流路中のバルブが順次開いていることが確認できた。また、図１８〜図２１で示した第４実施形態についての実験も行い、バルブ部の動作を確認できた。

さらに、図２２〜図２４で示した第５実施形態についても実験を行った。混合領域の中心部にはＰＤＭＳ製のマイクロピラーと金電極（バルブ）を配置した。バルブの両側の区画に溶液を満たしても、これらはバルブ部を通過しなかった。しかし、制御用流路中の亜鉛電極に溶液が到達し、電池が活性化されると、バルブ部が親水性になり、２つの溶液が混合した。

以上説明したように、本発明によれば、外部からの制御なしに、自律的に送液制御を行える送液装置を実現することができる。そして、複数の溶液を決められた順番で決められたタイミングで混合したり、次の区画に送ったりできる送液装置を実現することができる。これにより、複数の溶液の処理を伴うバイオセンシングを行えるデバイス（送液装置）を実現することができる。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）等については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明に係る送液装置は、対象物を局所に注入する等の医学、生物学の基礎研究、ＤＮＡ、タンパク質等の微小分析システムや、細胞培養・分離検出等の実験室を微小化して集積化させた実験室チップや、センサ、マイクロリアクター等に利用される。

１０ガラス基板
１１バルブ電極
１２液滴
１３電源
１４スイッチ
２０送液装置
２１第１の基板
２２第２の基板
２３流路
２４流路
２５第１の液溜め部
２６出口
２７バルブ部
２８第２の液溜め部
２９出口
３０操作部
３１バルブ電極
３２操作電極
３３参照電極
３４参照電極
３５配線
３６流路面
３７流路面
３８導入口
３９導入口
４０流体
５０送液装置
６０送液装置
１００送液装置
２００送液装置
２０５混合部
２１０混合電極

Claims

電解液を一方側から他方側に流す送液装置であって、
共に基板中に形成された２つの流路を有し、
第１の前記流路の前記一方側の端部には、第１の液溜め部を備え、前記第１の液溜め部の前記流路への出口側にバルブ部が配置され、
第２の前記流路の前記一方側の端部には、第２の液溜め部を備え、前記第２の液溜め部の前記流路への出口側から所定の距離に操作部が配置され、
前記バルブ部は、エレクトロウェッティング作用を有するバルブ電極を備え、
前記操作部は、電解液と接触することにより電池作用により電位が変化する親水性の操作電極を備え、
前記バルブ部の前記バルブ電極と前記操作部の前記操作電極が前記基板上において電気的に接続されていることを特徴とする送液装置。
電解液を一方側から他方側に流す送液装置であって、
共に基板中に形成された２つの流路を有し、
第１の前記流路の前記一方側の端部には、第１の液溜め部を備え、前記第１の液溜め部の前記流路への出口側から順番にバルブ部と操作部が交互に配置され、
第２の前記流路の前記一方側の端部には、第２の液溜め部を備え、前記第２の液溜め部の前記流路への出口側から順番に操作部とバルブ部が交互に配置されており、
前記バルブ部は、エレクトロウェッティング作用を有するバルブ電極を備え、
前記操作部は、電解液と接触することにより電池作用により電位が変化する親水性の操作電極を備え、
前記２つの流路のそれぞれに交互に配置された前記バルブ部の前記バルブ電極と前記操作部の前記操作電極がそれぞれ前記基板上において電気的に接続されていることを特徴とする送液装置。
電解液を一方側から他方側に流す送液装置であって、
少なくとも１つの液溜め部と前記液溜め部の出口側にバルブ部を配置した流路と、液溜め部から延ばした少なくとも１つの操作部を配置した流路とが、共に基板中に形成され、
前記バルブ部は、エレクトロウェッティング作用を有するバルブ電極を備え、
前記操作部は、電解液と接触することにより電池作用により電位が変化する親水性の操作電極を備え、
前記バルブ部の前記バルブ電極と前記操作部の前記操作電極がそれぞれ前記基板上において電気的に接続されていることを特徴とする送液装置。
電解液を一方側から他方側に流す送液装置であって、
基板中に形成された流路の一部にバルブ部と操作部が接して設けられ、
前記バルブ部は、エレクトロウェッティング作用を有するバルブ電極を備え、
前記操作部は、電解液と接触することにより電池作用により電位が変化する親水性の操作電極を備え、
前記バルブ部の前記バルブ電極と前記操作部の前記操作電極が接していることにより前記基板上において電気的接続がなされていることを特徴とする送液装置。
電解液を流す送液装置であって、
２つの液溜め部からそれぞれ伸び、基板中に形成された２つの流路と前記２つの流路の境界に混合部を有し、
前記２つの液溜め部とは別の液溜め部から所定の距離に操作部を有する流路を具備し、
前記混合部は、エレクトロウェッティング作用を有する混合電極を備え、
前記操作部は、電解液と接触することにより電池作用により電位が変化する親水性の操作電極を備え、
前記混合部の前記混合電極と前記操作部の前記操作電極が前記基板上において電気的に接続されていることを特徴とする送液装置。
前記バルブ電極は、金から形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の送液装置。
前記混合電極は、金から形成されていることを特徴とする請求項５記載の送液装置。
前記操作電極は、亜鉛から形成され、前記第１の液溜め部と前記第２の液溜め部に銀／塩化銀電極を設け、前記第１の液溜め部の銀／塩化銀電極と前記第２の液溜め部の銀／塩化銀電極を電気的に接続し、前記液溜め部に電解液を入れ、前記銀／塩化銀電極と前記操作電極が前記電解液で浸されることによって電池を形成することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の送液装置。
前記流路は、ガラス基板とポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）基板で形成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の送液装置。