JP6097082B2 - 基体 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー光を用いて形成された微細構造を備え、マイクロ／ナノ流路チップとして機能する基体に関する。

近年のマイクロテクノロジは、電気・電子分野のみでなく、機械、光、流体、バイオ、ケミカル等の様々な分野にも適用可能な技術として浸透しつつあり、それぞれの分野においてサイズの小さいデバイスの開発が進められている。特に、バイオやケミカルの分野においては、マイクロ／ナノ流路として機能するデバイス（マイクロ／ナノ流路チップ）を用いて作製されるドロップレットが注目を集めている。ドロップレットは、その内部において、複数種類の流体を高速かつコントローラブルに混合し、所望のサイズの微小粒子を製造するための局所的な空間として機能するものである。このドロップレットを用いることにより、所望のサイズの微小粒子について、特性等の分析を行うことが可能となる。

ドロップレット作製用のデバイスの要部となる基体の構成としては、図７（ａ）、（ｂ）に示すものが知られている。図７は、デバイスの要部となる基体の一部５００の構成を模式的に示す平面図である。基体の一部５００は、基板５０１の一面５０１ａに、流体の流路として機能する、第一凹部５０２と、第一凹部の側壁５０２ａに連結した微細孔５０４とを備えてなる。基板の一面５０１ａにキャップ（不図示）を重ね、第一凹部５０２、微細孔５０４に、それぞれ同時に第一流体、第二流体を流す。そして、微細孔５０４から第一凹部に第二流体を吐出させることにより、吐出した第二流体が、第一流体の流れによる圧力を受けて切断され、ドロップレットＤが作製される。

しかしながら、図７の流路を構成する第一凹部５０２、微細孔５０４は、フォトリソグラフィおよびエッチングを行って作製されるものであるため、いずれも基板の一面５０１ａにおいて開口している。すなわち、第一凹部の開口面５０２ａ、微細孔５０４ａが、いずれも基板の一面５０１ａ、すなわちキャップ５０５との重ね合わせ面５０５ａにおいて揃っている。したがって、微細孔５０４から吐出される第二流体は、それぞれキャップの重ね合わせ面５０５ａに沿って濡れ広がるため、作製されるドロップレットＤは、粒径が１０μｍ程度の大きいものとなる（非特許文献１）。

一方、ドロップレット作製用のデバイスの要部となる基体の構成としては、図８に示すものも知られている。図８は、デバイスの要部となる基体の一部６００の構成を模式的に示す平面図である。基体の一部６００は、基板６０１の一面６０１ａに、流体の流路として機能する、第一凹部６０２と、第一凹部の側壁６０２ａ、６０２ｂにそれぞれ連結された微細孔６０４、６０６を備えてなる。基板の一面６０１ａにキャップ（不図示）を重ね、第一凹部６０２、微細孔６０４に、それぞれ同時に第一流体、第二流体を流す。そして、微細孔６０４から第一凹部６０２を通過して第三凹部６０６に第二流体を吐出させることにより、吐出した第二流体が、第一凹部６０２から第三凹部６０６に流入する第一流体の流れによる圧力を受けて切断され、ドロップレットＤが作製される。

図８の構成によれば、サイズが３μｍ程度のドロップレットＤが得られる（非特許文献２）。しかし、非特許文献２に挙げられている、３μｍ程度の小さなドロップレットは、大きなドロップレットと同時に形成されるため、流路にそれらを選別する構造が必要になること、また、大きなドロップレットは使用する用途がなければ無駄になってしまうことを考慮すると、効率的に製造することが求められる産業において最適なものであるとはいいがたい。

なお、バイオの分野においては、数μｍ程度、もしくはそれ以下の小さい粒子を作製するため、それが可能なドロップレットとなる流体を吐出する流路（凹部）のサイズは、マイクロオーダー以下であることが求められている。

Wei-Heong Tan andShoji Takeuchi, "Monodisperse Alginate Hydrogel Microbeads for Cell" ,Adv. Mater. 2007, 19, 2696-2701. Yung-Chieh Tan, Vittorio Cristini, Abraham P. Lee, "Monodispersed microfluidic droplet generation by shear focusing microfluidic device" , Sensors and Actuators B, 2005

本発明は以上のような点を考慮してなされたものであり、微小なドロップレットを効率的かつ安定的に製造することが可能な、基体の提供を目的とする。

本発明の請求項１に係る基体は、第一基板と、前記第一基板の一面に形成された、第一流体の流路をなす第一凹部と、前記第一基板の一面に形成された、第二流体の流路をなす第二凹部と、前記第一凹部および前記第二凹部が覆われるように、前記第一基板の一面に重ねられた第二基板と、前記第一基板の内部において、前記第二基板と前記第一凹部とで囲まれた内部空間および前記第二基板と前記第二凹部とで囲まれた内部空間を連通し、一方の内部空間から他方の内部空間に向けて、第一流体または第二流体を流すことが可能な微細孔と、を含み、前記微細孔の開口部における内側面と、前記第一基板の一面との重ね合わせ面をなす前記第二基板の一面との間に段差が設けられており、前記第一凹部が前記第一流体の供給源に連結され、前記第二凹部が前記第二流体の供給源に連結されている、ことを特徴とする。

請求項１に係る基体の構成によれば、微細孔の開口部における内側面と、第一基板の一面との重ね合わせ面をなす第二基板の一面との間に段差が設けられているので、微細孔から吐出される第二流体は、第二基板の重ね合わせ面および第一凹部の底面に沿って濡れ広がりにくい。そのため、第二流体が第二基板の一面に沿って濡れ広がることによって、ドロップレットが所望のサイズより大きく形成されるのを防ぐことができる。したがって、微小なドロップレットを安定的に製造することができる。

本発明の請求項２に係る基体は、請求項１において、前記微細孔の開口部の少なくとも一部は、前記第一凹部の深さ方向における中央域と重なる位置に配されている、ことを特徴とする。

請求項２に係る基体の構成によれば、第一流体は、その流路内において、第一凹部の内壁面および第二基材の重ね合わせ面からなる流路の壁面から遠い位置ほど、壁面の影響が小さくなり、より速く流れることができる。つまり、第一流体は、流路内の中心部において、その流速が最大となる。したがって、請求項２の開口部から吐出された第二流体の少なくとも一部は、流路の中心部に進入し、第一流体のうち流速が最大の部分から大きな圧力を受ける。その結果として、吐出された第二流体は切断されやすくなり、高速で大量に小さなサイズのドロップレットを製造することができる。

本発明の請求項３に係る基体は、請求項１または２において、前記微細孔の短径は、２０ｎｍ以上１０μｍ以下である、ことを特徴とする。

請求項３に係る基体の構成によれば、微細孔の短径を２０ｎｍ以上とすることにより、第二流体を吐出するのに必要な圧力が大きくなり過ぎて、吐出自体が困難になる状況を回避することができる。また、微細孔の短径を２０ｎｍ以上とすることにより、吐出に必要な圧力がキャップの接合強度を上回ることによる、デバイスの破損を防ぐことができる。

また、請求項３に係る基体の構成によれば、微細孔の短径を１０μｍ以下とすることにより、第一流体の流れによる圧力に対して抵力が小さくなり、第二流体を容易に切断することができるため、数ミクロン以下の小さなドロップレットを効率よく作製することができる。

本発明の請求項４に係る基体は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記第二流体の流速は、前記第一流体の流速の０．００１倍以上１０倍以下である、ことを特徴とする。

請求項４に係る基体の構成によれば、第二流体の流速を第一流体の流速の０．００１倍以上とすることにより、吐出された第二流体が、その形状を維持した状態で、流路の中心部に向けて一定の距離進むことができる。したがって、吐出された第二流体は、流速がより大きい位置において、第一流体の流れによる圧力を受けるため、吐出した第二流体を容易に切断することができ、ドロップレットを効率よく作製することができる。

また、請求項４に係る基体の構成によれば、第二流体の流速を第一流体の流速の１０倍以下とすることにより、吐出された第二流体が、その形状を維持した状態で、開口部と対向する流路の内壁まで到達するのを防ぐことができる。したがって、吐出された第二流体は、第一流体の流れによる圧力を受けることができ、この圧力によって切断され、ドロップレットを作製することができる。

本発明の基体によれば、微細孔の開口部における内側面と、第一基板の一面との重ね合わせ面をなす第二基板の一面との間に段差が設けられているので、微細孔から吐出される第二流体は、第二基板の重ね合わせ面および第一凹部の底面に濡れ広がりにくい。そのため、第二流体が第二基板の一面に沿って濡れ広がることによって、ドロップレットが所望のサイズより大きく形成されるのを防ぐことができる。したがって、微小なドロップレットを安定的に製造することができる。

本発明による基体を備えたデバイスの構成を模式的に示す平面図である。 （ａ）本発明による基体の構成を、模式的に示す平面図である。（ｂ）本発明による基体の構成を、模式的に示す断面図である。 本発明による基体の製造方法を、段階的に説明する工程フローである。 本発明による基体の製造方法を、段階的に説明する被処理体の断面図である。 （ａ）本発明の実施例１による基体を構成する、第一流体の流路の斜視図である。（ｂ）、（ｃ）流路内における第一流体の流速の分布に関する、シミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施例２による基体を用いて製造される、ドロップレットのサイズに関するグラフである。 従来技術による基体の構成を、模式的に示す平面図である。 従来技術による基体の構成を、模式的に示す平面図である。 （ａ）、（ｂ）本発明の実施例３の結果を示す写真である。

以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。なお、以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために、例を挙げて説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明に用いる図面は、本発明の特徴を分かりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

＜第一実施形態＞
本発明の第一実施形態に係る基体１００を含むチップ１５０の構成について、図１を用いて説明する。図１は、チップ１５０の構成を模式的に示す平面図である。チップ１５０は、基材１１０と、第一流体の供給手段１１１、第二流体の供給手段１１２、ドロップレットの製造手段１１３、第一流体およびドロップレットの貯蔵手段１１４および排出手段１１５を備えている。

ドロップレットの製造手段１１３は、複数の基体１００を含んでいる。各基体１００を連通する第一流路１０２は、一端が供給手段１１１に連結され、他端が貯蔵手段１１４に接続されている。貯蔵手段１１４と排出手段１１５とは、第四流路１１６を介して連結されている。各基体１００を連通する第二流路１０３は、一端が供給手段１１２に接続されている。第一流路１０２と第二流路１０３とは、微細孔１０４によって連結されている。
なお、チップの１５０の構成を明瞭に示すため、図１は、第一流路１０２、第二流路１０３、第四流路１１６が露出した状態を示しているが、実際には、少なくともこれらの流路は、いずれも後述する第二基板（不図示）によって覆われているものとする。

［基体の構成］
ドロップレットの製造手段１１３に含まれた一部の基体１００の構成について、図２を用いて説明する。図２（ａ）は、図１の基体１００の部分を拡大し、その構成を模式的に示す平面図である。図１と同様に、第一流路１０２、第二流路１０３、微細孔１０４の構成を明瞭に示すために、基体１００の内部を一部透明化して示している。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線において、基体１００を切断した際の断面図である。

基体１００は、第一基板１０１と、第一基板の一面１０１ａに形成された第一凹部１０２および第二凹部１０３と、第一凹部１０２および第二凹部１０３が覆われるように、第一基板の一面１０１ａに重ねられた第二基板１０５と、を含んでいる。第一凹部１０２、第二凹部１０３は、それぞれ第一流体Ｌ１の流路、第二流体Ｌ２の流路をなしている。

また、基体１００は、第一基板１０１の内部において、第二基板１０５と第一凹部１０２とで囲まれた内部空間および第二基板１０５と第二凹部１０３とで囲まれた内部空間を連通する微細孔１０４と、を含んでいる。この微細孔１０４によって、一方の内部空間から他方の内部空間に向けて、第一流体Ｌ１または第二流体Ｌ２を流すことが可能となる。

第一基板１０１としては、例えば、耐薬品性が高く、加工性に優れたガラスなどにより構成される非結晶性基板、石英やシリコンやサファイアなどにより構成される結晶性基板を用いる。第一実施形態においては、平板状の基板の内部に微細孔を備えた基体を例として示すが、微細孔を内部に備える上で、基板の形状が限定されることはなく、基板を任意の形状の基体に置き換えてもよい。

第一凹部１０２は、第一流体の供給源１１１とドロップレットの製造手段１１３、ドロップレット製造手段１１３と貯蔵手段１１４とが連結されるように、線状に伸びた形状を有する。第二凹部１０３は、第一流体の供給源１１１とドロップレットの製造手段１１３とを連結するように、線状に伸びた形状を有する。第一凹部１０２と第二凹部１０３とが連結される位置において、第二凹部１０３の長手方向は、第一凹部１０２の長手方向と垂直をなしていることが望ましい。

このような構成により、第一流体Ｌ１および第二流体Ｌ２を流した場合に、微細孔１０４内における第二流体Ｌ２の流れの方向ｆ２は、第一凹部１０２内における第一流体Ｌ１の流れの方向ｆ１と垂直をなす。したがって、第一流体Ｌ１の流れによる圧力が、微細孔１０４から吐出された第二流体Ｌ２に対して、その長手方向と垂直に作用するため、第二流体Ｌ２を容易に切断することができ、ドロップレットＤを効率よく作製することができる。

微細孔は、その断面が略楕円形状となっている。楕円形状の長径と短径のうち、短径ｄ１は、２０ｎｍ以上１０μｍ以下であることが望ましい。短径ｄ１が２０ｎｍ以上１０ｎｍ以下である場合には、容易に第二流体Ｌ２を吐出させることができる。

微細孔の短径ｄ１を２０ｎｍ以上とすることにより、第二流体Ｌ２を吐出するのに必要な圧力が大きくなり過ぎて、吐出自体が困難になる状況を回避することができる。また、微細孔の短径ｄ１を２０ｎｍ以上とすることにより、吐出に必要な圧力が第二基板（キャップ）１０５の接合強度を上回ることによる、デバイスの破損を防ぐことができる。

微細孔の短径ｄ１を１０μｍ以下とすることにより、第一流体の流れｆ１による圧力に対して抵力が小さくなり、第二流体Ｌ２を容易に切断することができるため、数ミクロン以下の小さなドロップレットＤを効率よく作製することができる。

第二流体Ｌ２の流速は、第一流体Ｌ１の流速の０．００１倍以上１０倍以下であることが望ましい。

第二流体Ｌ２の流速を第一流体Ｌ１の流速の０．００１倍以上とすることにより、吐出された第二流体Ｌ２が、その形状を維持した状態で、流路の中心部に向けて一定の距離進むことができる。したがって、吐出された第二流体Ｌ２は、流速がより大きい位置において、第一流体の流れによる圧力を受けるため、吐出した第二流体を容易に切断することができ、ドロップレットを効率よく作製することができる。

第二流体Ｌ２の流速を第一流体Ｌ１の流速の１０倍以下とすることにより、吐出された第二流体Ｌ２が、その形状を維持した状態で、開口部と対向する流路の内壁まで到達するのを防ぐことができる。したがって、吐出された第二流体は、第一流体Ｌ１の流れによる圧力を受けることができ、この圧力によって切断され、ドロップレットＤを作製することができる。

微細孔の開口部１０４ａは、第一凹部の底面および第二基板の一面（第一基板１０１との重ね合わせ面）１０５ａから離間した位置に配されており、第一凹部の開口部１０２ａは第一基板１０１のみからなる。すなわち、第一基板の一面１０１ａ側に位置する、微細孔の開口部における内側面１０４ｂと、第二基板の一面１０５ａとの間に段差ｄが設けられている。

この段差ｄは、微細孔の開口部１０４ａから吐出される流体に対して、第二基板の一面１０５ａからの影響が及ぶ上限の距離、すなわち、第二基板の一面１０５ａに対して流体の濡れ広がりが可能な上限の距離よりも大きいことが望ましい。

以上説明したように、第一実施形態に係る基体の構成によれば、吐出される第二流体は、第二基板の重ね合わせ面および第一凹部の底面に濡れ広がらない。そのため、吐出された第二流体に対して、第一流体の圧力が効率的に作用することになり、この第二流体を安定して切断することができ、ドロップレットを形成することができる。

また、濡れ広がりによる第二流体の変形にともなって、ドロップレットが所望のサイズより大きく形成されるのを防ぐことができる。したがって、微小なドロップレットを効率的かつ安定的に製造することができる。

なお、微細孔の開口部１０４ａの少なくとも一部は、第一凹部１０２の深さ方向における中央域、すなわち、第一流体Ｌ１の流路の中心部と重なる位置に配されていることが望ましい。

このような構成により、第一流体Ｌ１の流路内において、第一凹部の側面１０２ｂおよび底面１０２ｃと第二基材の重ね合わせ面１０５ａとで構成される流路の壁面から遠い位置ほど、第一流体Ｌ１の壁面との摩擦の影響が小さくなり、より速く流れることができる。つまり、第一流体Ｌ１は、流路内の中心部において、その流速が最大となる。

したがって、開口部から吐出された第二流体Ｌ２の少なくとも一部は、流路の中心部に進入し、第一流体Ｌ１のうち流速が最大の部分から大きな圧力を受ける。その結果として、吐出された第二流体Ｌ２は切断されやすくなり、高速で大量のドロップレットＤを製造することができる。

［基体の製造方法］
図２に示した基体１００の製造方法について、図３、４を用いて説明する。図３は、基体１００の製造工程のフローを示している。図４は、基体の製造過程における被処理体の要部断面を、製造工程の順に、段階的に示した図である。基体１００は、図３に示す６つの工程（第一〜第六工程）を経ることにより、製造することができる。

まず、図４（ａ）に示すように、第一工程（工程Ｐ１）として、第一基板１０１の内部のうち微細孔を形成する領域に、レーザー光Ｌを集光照射し、第一基板の一方の主面１０１ａと平行な方向Ｓに、焦点Ｌｆを走査させて構造改質部（改質部）１０１ｃを形成する。

第一工程は、２つのステップを経て行う。すなわち、１つ目のステップとして、光源において発光する、パルス幅がピコ秒オーダー以下の直線偏光したレーザー光（直線偏光レーザー光）に対して、強度が所望の大きさとなるように調整を行う。

具体的には、第一基板１０１に集光照射した、レーザー光Ｌの焦点Ｌｆにおける強度が、加工下限閾値より大きくなるように調整を行う。ここでの加工下限閾値は、直線偏光レーザー光を第一基板１０１の表面近傍に集光照射させた際に、集光した焦点において、改質部を形成することが可能な下限値として定義されるものである。

さらに、レーザー光Ｌの強度は、形成する改質部がエッチング除去可能となるように、工程Ｐ１において、基板の一方の主面（一面）１０１ａから、改質部を形成する位置までの距離に応じて調整する。

次に、２つ目ステップとして、光源において発生するレーザー光Ｌを、レンズを透過させるなどして第一基板１０１の内部に集光照射させ、改質部（微細孔）を形成する領域に沿って、集光した焦点Ｌｆを走査させる。

以上の２つのステップを経ることにより、第一基板１０１の内部において、レーザー光Ｌを集光照射して走査した領域とその近傍の領域に、改質部１０１ｃを形成することができる。形成された改質部１０１ｃは、レーザー光Ｌの集光照射により、エッチング耐性が弱められている。

実際には、レーザー光Ｌを走査した際に、走査した領域、すなわち改質予定の領域に第一改質部が形成されるとともに、走査した領域近傍の領域、すなわち改質予定でない領域に第二改質部が形成される。ただし、第一改質部のエッチング耐性は、第二改質部のエッチング耐性よりも弱くなっている。

次に、第二工程として、図４（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法によるミクロンオーダーの流路（マイクロ流路）用のパターニングを行い、第一基板１０１の第一凹部１０２、第二凹部１０３を設ける部分を除いた部分を、レジストＲを用いてマスクする。

続いて第三工程（工程Ｐ２）として、図４（ｃ）に示すように、マスクされていない、第一凹部１０２、第二凹部１０３を設ける部分を、ドライエッチング処理を行って除去する。これにより、第一基板の一方の主面１０１ａに第一凹部１０２および第二凹部１０３が形成され、各々の凹部の内側面において、改質部１０１ｃが露出する。

続いて第四工程として、マスクに用いたレジストＲを、第一基板１０１から剥離させて除去する。

次に、第五工程（工程Ｐ３）として、図４（ｄ）に示すように、改質部１０１ｃに対して選択的にエッチング処理を行い、第一基板１０１の内部に微細孔を形成する。

エッチング処理は、ドライエッチング法、ウェットエッチング法のどちらを用いて行ってもよいが、三次元構造の微細孔を形成するため、等方性の高いウェットエッチング法を用いる方が好ましい。よって、本実施形態における工程Ｐ５のエッチング処理は、ウェットエッチング法を適用して行うものとする。

具体的には、第四工程を経た被処理体を、特定の容器に収容されたエッチング液に浸漬する。そして、第一基板１０１の内部に形成された改質部１０１ｃの全体にエッチング液を染み込ませ、改質部１０１ｃの除去を進行させる。

第五工程のエッチング処理は、第一基板１０１の内部において、改質部１０１ｃが、レーザー照射されずに構造改質していない部分に比べて、速くエッチングされる現象を利用するものであり、結果として改質部１０１ｃの形状に応じた微細孔を形成することができる。

エッチング液としては、例えばフッ酸（ＨＦ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）などのアルカリ溶液、フッ酸に硝酸等を適量添加したフッ硝酸系の混酸溶液などを用いることができ、第一基板１０１を構成する材料に応じて、他の薬液を用いることもできる。

特に、水酸化カリウムを主成分とするアルカリ溶液（ＫＯＨ溶液）は、エッチング液としての選択性が高く、改質部のみを選択的に除去する機能に優れる。そのため、ＫＯＨ溶液は、例えば、互いに近接して形成された複数の第一改質部を除去して微細孔をなす空間を形成する際に、空間同士が繋がってしまわないように、第一改質部のみをより選択的に除去することが求められる場合に有効となる。

第五工程のエッチング処理後、第一基板１０１内部の所望の位置に、微細孔１０４が形成される。なお、工程Ｐ１において用いるレーザー光は、ミクロンオーダーよりも小さな微小領域を走査して改質させることが可能である。したがって、最小寸法をナノオーダー（数１０［ｎｍ］〜１００［ｎｍ］のオーダー）とする微細孔１０４を形成することができる。形成される微細孔１０４のサイズは、例えば、短径が２０［ｎｍ］〜２００［ｎｍ］程度、長径が０．２［μｍ］〜５［μｍ］程度となり、貫通孔の断面は略楕円形状となる。エッチング処理の具合によっては、該断面は矩形に近い形状となることもある。

なお、エッチング処理時間を調整することによって、改質部１０１ｃのうち、除去されて微細孔１０４となる部分と除去されないで改質部として残る部分との体積比率を調整することができる。例えば、エッチング処理時間を長くすることにより、短径を１［μｍ］〜２［μｍ］程度に伸ばすことも可能である。

次に、第六工程（工程Ｐ４）として、図４（ｅ）に示すように、工程Ｐ５を経た第一基板の一面１０１ａに、少なくとも第一凹部１０２および第二凹部１０３が覆われるように、第二基板１０５を接合（キャップ接合）する。第一〜第６工程を経ることにより、図２に示した基体１００が得られる。

上述した基体の製造方法によれば、レーザー光の照射によって、基体の内部にマイクロオーダー以下のサイズの改質部を形成することができる。したがって、この改質部をエッチングによって除去することにより、基体の内部に微小な流路を形成することができる。

以下、第一実施形態に該当する実施例１〜３を用いて、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明が適用可能な実施例は、実施例１〜３に限定されるものではない。

［実施例１］
実施例１として、流路内における第一流体Ｌ１の流速の分布について調べた。その結果を図５（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。図５（ａ）は、図２（ａ）、（ｂ）に示した、第二基板１０５と第一凹部１０２とで囲まれてなる内部空間（第一流体Ｌ１の流路）Ｓ１の斜視図である。内部空間Ｓ１に第一流体Ｌ１を流した際の流れの方向ｆ１にｚ軸をとり、これと垂直な面内に、互いに直交するｘ軸およびｙ軸をとる。

図５（ｂ）は、図５（ａ）の第一流体Ｌ１の流れる方向ｆ１に垂直な断面Ｃにおける、第一流体Ｌ１の流速のｚ成分を等高線によって示したグラフである。断面Ｃは、一辺が約１０［μｍ］の略正方形とした。グラフの横軸は、断面Ｃのｘ軸方向における位置を示し、グラフの縦軸は、断面Ｃのｙ軸方向における位置を示している。図５（ｂ）のグラフは、第一流体Ｌ１の流速（のｚ成分）が、断面Ｃにおいては中心部が最も大きく、中心部から離れるにしたがって小さくなる結果を示している。

図５（ｃ）は、図５（ｂ）のグラフのｙ軸方向における位置ａ１、ａ２、ａ３における、第一流体Ｌ１の流速の分布を示したグラフである。グラフの横軸は、断面Ｃ内のｘ方向における位置を示し、グラフの縦軸は、第一流体Ｌ１の流速のｚ成分を示している。図５（ｃ）のグラフに示した実線、一点鎖線、二点鎖線は、それぞれ、位置ａ１、ａ２、ａ３における第一流体Ｌ１の流速の分布を示している。図５（ｃ）のグラフは、断面Ｃのｙ方向（深さ方向）において、流路の中心部に近い位置ほど第一流体Ｌ１の流速が大きくなる結果を示している。

図５（ｂ）、（ｃ）のグラフに示すように、第一流体Ｌ１の流路内において、第一凹部の側面１０２ｂおよび底面１０２ｃと第二基材の重ね合わせ面１０５ａとで構成される流路の壁面から遠い位置ほど、第一流体Ｌ１の壁面との摩擦の影響が小さくなり、より速く流れることができる。つまり、第一流体Ｌ１は、流路内の中心部において、その流速が最大となる。

したがって、微細孔の開口部１０４ａの少なくとも一部は、第一凹部１０２の深さ方向における中央域、すなわち、第一流体Ｌ１の流路の中心部と重なる位置に配されていることが望ましい。このような構成により、開口部から吐出された第二流体Ｌ２の少なくとも一部は、流路の中心部に進入し、第一流体Ｌ１のうち流速が最大の部分から大きな圧力を受ける。その結果として、吐出された第二流体Ｌ２は切断されやすくなり、高速で大量のドロップレットＤを作製することができる。

［実施例２］
実施例２として、第一実施形態に係る基体１００を用いて作製される、ドロップレットのサイズについて調べた結果を図６に示す。図６は、ドロップレットの径ごとに作製された数をまとめたグラフである。グラフの横軸は、作製されたドロップレットの径を示し、グラフの縦軸は、作製されたドロップレットの数を示している。

グラフの分布から見積もった結果、作製されたドロップレットの径は、平均１．１［μｍ］（標準偏差２６０［ｎｍ］）となった。これは、体積換算すると、１４［ｆＬ］に相当する大きさであることがわかった。
図７に示した従来技術により得られるドロップレットの径が、１０［μｍ］（１［ｆＬ］）程度であったのに対し、本発明の実施例２によって得られるドロップレットの径は、その約１０分の１となることが分かった。

［実施例３］
実施例３として、第一実施形態に係る基体１００を用いて作製されたドロップレットを用い、酵素反応を観察した結果を図９に示す。作製したドロップレットＤ内には酵素1分子（β-ガラクトシダーゼ）がある確率で閉じ込めてあり、β-ガラクトシダーゼの基質にはFluorecein-Di-Galactopyranoside（ＦＤＧ）を用いている。図９（ａ）は、微細流路C内に作製したドロップレットＤを、光学顕微鏡を用いて明視野観察した写真である。図９（ｂ）は、図９（ａ）と同じ場所において、微細流路C内に作製したドロップレットDを、蛍光観察した写真である。作製したドロップレットDが蛍光反応を示していることから、ドロップレットD内の１μｍ程度の微小空間を、酵素反応場として供することができたことが明らかとなった。

本発明は、所望のサイズのドロップレットを大量かつ高速に作製する装置として、広く適用することができる。また、ドロップレット内での化学・生体反応の検出等、バイオや化学の分野で広く使用することができる。

１０１・・・第一基板、１０１ａ、１０５ａ・・・一面、１０２・・・第一凹部、
１０３・・・第二凹部、１０４・・・微細孔、１０５・・・第二基板、
Ｌ１・・・第一流体、Ｌ２・・・第二流体、ｄ３・・・段差。

Claims (4)

1. 第一基板と、
   前記第一基板の一面に形成された、第一流体の流路をなす第一凹部と、
   前記第一基板の一面に形成された、第二流体の流路をなす第二凹部と、
   前記第一凹部および前記第二凹部が覆われるように、前記第一基板の一面に重ねられた第二基板と、
   前記第一基板の内部において、前記第二基板と前記第一凹部とで囲まれた内部空間および前記第二基板と前記第二凹部とで囲まれた内部空間を連通し、一方の内部空間から他方の内部空間に向けて、第一流体または第二流体を流すことが可能な微細孔と、を含み、
   前記微細孔の開口部における内側面と、前記第一基板の一面との重ね合わせ面をなす前記第二基板の一面との間に段差が設けられており、
   前記第一凹部が前記第一流体の供給源に連結され、前記第二凹部が前記第二流体の供給源に連結されている、ことを特徴とする基体。
2. 前記微細孔の開口部の少なくとも一部は、前記第一凹部の深さ方向における中央域と重なる位置に配されている、ことを特徴とする請求項１に記載の基体。
3. 前記微細孔の短径は、２０ｎｍ以上１０μｍ以下である、ことを特徴とする請求項１または２に記載の基体。
4. 前記第二流体の流速は、前記第一流体の流速の０．００１倍以上１０倍以下である、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の基体。