JP7253845B2 - 開放空間型の液体操作装置 - Google Patents

Description

本発明は、静電気力を用いて液体を操作するように構成される開放空間型の液体操作装置に関する。

バイオ、医療、創薬、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）等のような様々な技術分野において、液体、特に、液滴を静電気力によって操作するＥＷＯＤ（Electro Wetting On Dielectric）が注目されてきている。特に、バイオ、医療、及び創薬の技術分野において、ＥＷＯＤは希少な試薬、危険な薬品等を扱う技術として期待されている。このようなＥＷＯＤを利用した装置（液体操作装置）は、開放空間型及び閉鎖空間型の２つに分類されることがある。

開放空間型の液体操作装置は、典型的に、基板と、この基板の表面上に配置される複数の電極と、基板の表面上で複数の電極を覆うように配置される裏面、及びこの裏面に対向する表面を有する絶縁膜とを含み、絶縁膜の表面が外部に開放されていて、電極への電圧印加に基づいて得られる静電気力を変化させることによって、絶縁膜の表面上で液滴を操作するようになっている。（例えば、非特許文献１を参照。）

閉鎖空間型の液体操作装置は、典型的に、基板と、この基板の表面上に配置される複数の制御電極と、基板の表面上で複数の制御電極を覆うように配置される裏面及びこの裏面に対向する表面を有する第１絶縁膜と、この第１絶縁膜の表面に対して間隔を空けて配置される表面及びこの表面に対向する裏面を有する第２絶縁膜と、複数の制御電極に対応するように第２絶縁膜の裏面に配置される接地電極とを含んでいて、複数の制御電極への電圧印加に基づいて得られる静電気力を変化させることによって、第１及び第２絶縁膜間の閉鎖空間内で液滴を操作するようになっている。

このような開放空間型及び閉鎖空間型の液体操作装置の両方において、液滴の制御性能を向上させることが求められている。特に、液滴を分離する制御を行うことは難しく、このことは、液滴の制御性能を向上させる上で問題となっている。

このような問題に対して、閉鎖空間型の液体操作装置においては、複数の制御電極のうち隣接する制御電極の一方に電圧を印加すると共にその他方に電圧を印加しないように複数の制御電極を制御することによって、第１及び第２絶縁膜間の閉鎖空間内で液滴を分離できることが報告されている（例えば、非特許文献２～非特許文献５を参照。）

Hyojin Ko，他７名，"Active Digital Microfluidic Paper Chips with Inkjet-Printed Patterned Electrodes"，ADVANCED MATERIALS， Volume 26，Issue 15，2014年4月16日，p. 2335-2340 Michael George Pollack, "ELECTROWETTING-BASED MICROACTUATION OF DROPLETS FOR DIGITAL MICROFLUIDICS", Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in the Department of Electrical and Computer Engineering in the Graduate School of Duke University, 2001年 Sung Kwon Cho, 他２名, "Creating, Transporting, Cutting, and Merging Liquid Droplets by Electrowetting-Based Actuation for Digital Microfluidic Circuits", JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL. 12, NO. 1, 2003年2月 H.-W. LU, 他３名, "A Diffuse Interface Model for Electrowetting Droplets In a Hele-Shaw Cell", Journal of Fluid Mechanics, Volume 590, 2007年11月10日, p. 411-435 N. Y. Jagath B. Nikapitiya，他２名，"Accurate, consistent, and fast droplet splitting and dispensing in electrowetting on dielectric digital microfluidics", Micro and Nano Systems Letters 2017 5:24，2017年6月16日

開放空間型の液体操作装置は、特に、液滴の導入及び取り出し、製造効率、製造コスト等の観点において、閉鎖空間型の液体操作装置よりも優れているので、液滴の制御性能を向上させることが望まれている。しかしながら、開放空間型の液体操作装置にて操作される液滴においては、気液界面又は液液界面が固液界面よりも大きいので、表面張力が支配的となっている。そのため、開放空間型の液体操作装置においては、表面張力の影響に起因して、液滴を分離する制御を実現することが困難となっている。

このような実情を鑑みると、開放空間型の液体操作装置において、液体、特に、液滴を効率的に分離可能とすることが望まれる。ひいては、開放空間型の液体操作装置において、液体、特に、液滴の制御性能を向上させることが望まれる。

上記課題を解決するために、一態様に係る開放空間型の液体操作装置は、基板と、前記基板の表面上に配置される少なくとも３つの電極と、前記少なくとも３つの電極を覆うように前記基板の表面上に配置される絶縁膜とを備え、前記絶縁膜が、前記基板の表面を向く裏面と、前記絶縁膜の裏面に対して前記絶縁膜の厚さ方向の反対側に位置する表面とを有し、前記絶縁膜の表面が外部に開放されており、前記少なくとも３つの電極に印加する電圧を変化させることによって生じる静電気力の変化を用いて、液体を前記絶縁膜の表面上で制御できるように構成される開放空間型の液体操作装置であって、前記絶縁膜の表面から前記絶縁膜の裏面に向かう方向に凹む溝が形成され、前記溝が前記少なくとも３つの電極に跨って延びている。

一態様に係る開放空間型の液体操作装置においては、液体、特に、液滴を効率的に分離することができる。ひいては、液体、特に、液滴の制御性能を向上させることができる。

図１は、第１実施形態に係る開放空間型の液体操作装置を、液滴を分離する前の状態で概略的に示す平面図である。 図２は、図１のＡ－Ａ線断面図である。 図３は、第１実施形態に係る開放空間型の液体操作装置を、液滴を分離した後の状態で概略的に示す平面図である。 図４は、第２実施形態に係る開放空間型の液体操作装置を、液滴を分離した後の状態で概略的に示す斜視図である。 図５は、液滴を分離する前の状態で概略的に示す図４のＢ－Ｂ線断面図である。 図６は、第３実施形態に係る開放空間型の液体操作装置を、液滴を分離した後の状態で概略的に示す斜視図である。 図７は、液滴を分離する前の状態で概略的に示す図６のＣ－Ｃ線断面図である。 図８は、第２実施形態に係る開放空間型の液体操作装置を、液滴を分離する前の状態で概略的に示す平面図である。 図９は、第２実施形態に係る開放空間型の液体操作装置を、液滴を互いに等しい分量を有する２個の分離部分に分離した後の状態で概略的に示す平面図である。 図１０は、第２実施形態に係る開放空間型の液体操作装置を、液滴を互いに等しい分量を有する３個の分離部分に分離した後の状態で概略的に示す平面図である。 図１１は、第２実施形態に係る開放空間型の液体操作装置を、液滴を互いに異なる分量を有する２個の分離部分に分離した後の状態で概略的に示す平面図である。

第１～第３実施形態に係る開放空間型の液体操作装置について説明する。なお、本願明細書において、「フィルム」は、約２００μｍ（マイクロメートル）以下の厚さを有する膜状物体を指し、かつ「シート」は、約２００μｍを超える厚さを有する膜状物体を指すものとする。

「第１実施形態」
第１実施形態に係る開放空間型の液体操作装置について説明する。

「液体操作装置の基本的な構成」
最初に、図１～図３を参照して、本実施形態に係る液体操作装置の基本的な構成について説明する。すなわち、本実施形態に係る液体操作装置（以下、必要に応じて、単に「装置」という）は基本的には次のようになっている。装置は基板１を有し、この基板１は、裏面１ａと、この裏面１ａに対して基板１の厚さ方向の反対側に位置する表面１ｂとを有する。

装置は、基板１の表面１ｂ上に配置される少なくとも３つの電極２を有する。なお、図１及び図３においては、３つの電極２が示されている。しかしながら、装置は、４つ以上の電極を有することもできる。電極２はまた、基板１の表面１ｂを向く裏面２ａと、この裏面２ａに対して電極２の厚さ方向の反対側に位置する表面２ｂとを有する。

図２においては、基板１は、電極２に対応するように凹む凹部１ｅを有するように形成されている。しかしながら、基板は、凹部を有さないように形成することもでき、例えば、インクジェットプリンタ等の印刷機を用いて、基板の表面上に電極を載せることができる。

装置はまた、少なくとも３つの電極２を覆うように基板１の表面１ｂ上に配置される絶縁膜３を有する。絶縁膜３は、基板１の表面１ｂを向く裏面３ａと、この裏面３ａに対して絶縁膜３の厚さ方向の反対側に位置する表面３ｂとを有する。絶縁膜３の表面３ｂは外部に開放されている。そのため、装置は開放空間型となっている。

かかる装置は、少なくとも３つの電極２に印加する電圧を変化させることによって生じる静電気力の変化を用いて、液体Ｌを絶縁膜３の表面３ｂ上で制御できるように構成されている。さらに、装置においては、絶縁膜３の表面３ｂから絶縁膜３の裏面３ａに向かう方向に凹む溝４が形成されている。溝４は、少なくとも３つの電極２に跨って延びている。溝４はまた、開口部４ａと、この開口部４ａに対向する底部４ｂとを有する。

かかる溝４は、開口部４ａから底部４ｂに向かうに従って溝４の幅を減少させるように形成されるとよい。しかしながら、溝はこれに限定されない。例えば、溝は、その幅を略均一にするように形成することができる。

基板１は、溝４の底部４ｂに対して溝４の幅方向の一方側及び他方側にそれぞれ位置する第１部分１ｃ及び第２部分１ｄを有する。絶縁膜３は、溝４の底部４ｂに対して溝４の幅方向の一方側及び他方側にそれぞれ位置する第１部分３ｃ及び第２部分３ｄを有する。溝４は、溝４の底部４ｂに対して溝４の幅方向の一方側及び他方側にそれぞれ位置する第１壁部分４ｃ及び第２壁部分４ｄを有する。第１及び第２壁部分４ｃ，４ｄのそれぞれは、溝４の開口部４ａ及び底部４ｂ間にて延びる。装置は、溝４に対して溝４の幅方向の一方側及び他方側に位置する第１側方領域５及び第２側方領域６を有する。

装置は、溝４の底部４ｂに対して溝４の幅方向の一方側及び他方側に位置する第１構造体Ｆ１及び第２構造体Ｓ１を有する。第１構造体Ｆ１は、基板１の第１部分１ｃと、絶縁膜３の第１部分３ｃとを含む。溝４の第１壁部分４ｃと、第１側方領域５とは第１構造体Ｆ１に位置する。第２構造体Ｓ１は、基板１の第２部分１ｄと、絶縁膜３の第２部分３ｄとを含む。溝４の第２壁部分４ｄと、第２側方領域６とは第２構造体Ｓ１に位置する。

「液体操作装置の具体的な構成」
図１～図３を参照して、本実施形態に係る液体操作装置の具体的な構成について説明する。すなわち、本実施形態に係る装置は具体的には次のようになっているとよい。上記基板１は、可撓性を有するようにシート状又はフィルム状に形成されている。基板１と、少なくとも３つの電極２と、絶縁膜３とは、溝４の底部４ｂを形成するように折れ曲がった屈曲部Ｄを設けることによって、溝４を形成するように曲がっている。

第１及び第２構造体Ｆ１，Ｓ１は一体形成されている。そのため、基板１の第１及び第２部分１ｃ，１ｄは一体形成され、かつ絶縁膜３の第１及び第２部分３ｃ，３ｄは一体形成されている。各電極２は、第１及び第２構造体Ｆ１，Ｓ１に跨って配置されており、各電極２は、溝４の第１及び第２壁部分４ｃ，４ｄに跨って配置されている。

「基板の具体的な構成」
図１～図３を参照して、基板１の具体的な構成について説明する。すなわち、基板１は具体的には次のようになっているとよい。基板１は、紙、樹脂等を用いて構成されるとよい。ここで、「紙」は、植物繊維、その他の繊維等を膠着（こうちゃく）させることによって製造したものをいい、多孔質体などの無機物や、合成分子等の有機分子を添加したものであってもよい。「樹脂」は、天然及び／又は合成高分子化合物材料を主成分とするものであって、繊維や無機物等をさらに含む複合材料であってもよい。特に、「樹脂」は、熱による加工が容易な熱可塑性樹脂であるとよい。また、基板１は、折り曲げ加工によって塑性変形可能であるとよい。基板１はまた、はさみ、カッター等の刃物を用いて容易に切断可能であるとよい。基板１は、樹脂から成る射出成形品とすることもできる。

基板１の厚さは、基板１が可撓性を有するように設定されるとよい。例えば、基板１が、紙を用いて構成されるか、又は紙である場合において、基板１の厚さは、約１００μｍ～約２００μｍとすることができる。基板１が、樹脂を用いて構成されるか、又は樹脂である場合において、基板１は、その厚さを約２００μｍ以下とするフィルムであってもよく、又はその厚さを約２００μｍよりも大きくしたシートであってもよい。基板１は、ガラスやシリコンを用いて構成されないことが好ましい。しかしながら、本発明の基板の材料及び厚さの関係は、これに限定されない。

「電極の具体的な構成」
図１～図３を参照して、電極２の具体的な構成について説明する。すなわち、電極２は具体的には次のようになっているとよい。電極２は、導電材料から構成される。導電材料は、金属、カーボン、金属酸化物、これらの材料のうち少なくとも１つを含有する材料等であるとよい。電極２はまた膜状に形成されている。一例として、導電インクにより電極を形成することができる。かかる電極２の厚さは、折り曲げ加工によって、電極２が絶縁膜３と一緒に塑性変形可能となるように設定される。

図２においては、電極２は、基板１の凹部１ｅ内に配置され、かつ電極２の表面２ｂは基板１の表面１ｂと略一致している。しかしながら、上述のように、基板が、凹部を有さないように形成される場合、電極の表面は基板の表面から突出するように形成される。

少なくとも３つの電極２、すなわち、３つ以上の電極２は、基板１の表面１ｂ上で溝４に沿って互いに間隔を空けて配置されている。図１及び図３においては、後述するように溝４が略直線状に延びる場合において、３つ以上の電極２が溝４に沿って互いに間隔を空けて配置されている。さらには、３つ以上の電極２の中心は略直線状の溝４を通過することができる。かかる状態で、略直線状の溝４の両端を結ぶ仮想直線を引いた場合、３つ以上の電極２又はそれらの中心は仮想直線上に配置される。しかしながら、電極の配置は、これに限定されない。例えば、後述するように溝が湾曲しながら延びる場合においては、３つ以上の電極が、湾曲する溝に沿って互いに間隔を空けて配置することができる。さらには、３つ以上の電極の中心は、湾曲する溝を通過することができる。かかる状態で、湾曲する溝の両端を結ぶ仮想直線を引いた場合、３つ以上の電極のうち少なくとも１つの電極又はそれらの中心は、基板の表面上で仮想直線に略直交する方向にて仮想直線からズレて配置される。

少なくとも３つの電極２は回路Ｐに接続されており、回路Ｐは、複数の電極２に対して各別に電圧を印加できるようになっている。図１及び図３においては、回路Ｐは基板１の外部に配置されている。しかしながら、本発明はこれに限定されず、回路の少なくとも一部が基板に配置されてもよい。例えば、回路の一部である配線等が基板に配置されてもよい。

なお、図１及び図３においては、少なくとも３つの電極２に対して各別に電圧を印加する状態を説明するために、一例として、スイッチ、電源、接地等を含む回路Ｐを模式的に示している。しかしながら、複数の電極に接続される回路は、図１及び図３の回路Ｐに限定されず、液滴を停止及び移動させるための静電気力を発生可能とするように複数の電極に対して各別に電圧を印加できれば、あらゆる構成とすることができる。

「絶縁膜の具体的な構成」
図１～図３を参照して、絶縁膜３の具体的な構成について説明する。すなわち、すなわち、絶縁膜３は具体的には次のようになっているとよい。絶縁膜３は電気絶縁性を有するとよく、かつ絶縁膜３、特に、絶縁膜３の表面３ｂは疎水性を有するとよい。そのため、絶縁膜３は、電気絶縁性及び疎水性を有する材料を用いて構成されるとよい。かかる材料は、電気絶縁性及び疎水性を有する樹脂等、例えば、フッ素系樹脂等であるとよい。なお、絶縁膜の表面を、疎水性を有する材料又は電気絶縁性及び疎水性を有する材料を用いて構成し、かつ絶縁膜の表面以外の部分を、電気絶縁性を有する材料を用いて構成することもできる。

「溝及び側方領域の具体的な構成」
図１～図３を参照して、溝４及び側方領域５，６の具体的な構成について説明する。すなわち、溝４及び側方領域５，６は具体的には次のようになっているとよい。溝４は略直線状に延びている。しかしながら、溝は湾曲しながら延びていてもよい。溝４の深さは溝４の幅よりも大きいとよい。しかしながら、溝の深さは溝の幅と略等しくすることもできる。また、溝の深さは溝の幅よりも小さくすることもできる。

溝４の断面積は、溝４内の液体Ｌの表面張力を減少させるように設定される。特に、溝４の断面積は、溝４内の液体Ｌの固液界面を同気液界面又は同液液界面よりも大きくするように設定されるとよい。なお、液体Ｌを気体中、特に、空気中で操作することを考慮する場合には、溝４内の液体Ｌの固液界面を同気液界面よりも大きくするように設定されるとよい。液体Ｌを、液体Ｌとの間に液液界面を生じさせるような別の液体中で操作することを考慮する場合には、溝４内の液体Ｌの固液界面を同液液界面よりも大きくするように設定されるとよい。一例として、別の液体は油とすることができる。しかしながら、別の液体はこれに限定されない。さらに、溝４は、溝４内の液体Ｌに対して親水化による毛細管現象が生じるように、開口部４ａから底部４ｂに向かうに従って溝４の幅を減少させるように形成されるとよい。

溝４の底部４ｂは略楔形状に形成されている。かかる底部４ｂは、所定の角度を成す楔形状になっているとよい。なお、かかる角度は鋭角であるとよい。さらに、かかる角度は、溝４内の液体Ｌに対して親水化による毛細管現象を生じさせることができるように設定されるとよい。しかしながら、底部は湾曲してもよい。底部は略平坦に形成されてもよい。溝４の第１及び第２壁部分４ｃ，４ｄは、溝４の開口部４ａから底部４ｂに向かうに従って互いの間隔を狭めるように形成される。かかる第１及び第２壁部分４ｃ，４ｄは、湾曲している。特に、第１及び第２壁部分４ｃ，４ｄは、互いに向かって突出するように湾曲している。しかしながら、第１及び第２壁部分は、互いから離れる方向に凹むように湾曲してもよい。また、第１及び第２壁部分は略直線状に形成されてもよい。

第１及び第２側方領域５，６は、溝４の幅方向に沿って配置されている。しかしながら、第２側方領域が、この第２側方領域と連続する溝の第２壁部分と一緒に略直線状に延びてもよく、かつ第１側方領域が、この第１側方領域と連続する溝の第１壁部分から湾曲するように延びてもよい。

「液体操作装置の製造方法」
本実施形態に係る液体操作装置の製造方法の一例を説明する。特に明確に図示はしないが、最初に、第１及び第２構造体Ｆ１，Ｓ１を滑らかに連続させるように一体形成した装置用材料を準備する。かかる装置用材料を、溝４の底部４ｂを形成するように折れ曲がった屈曲部Ｄを設けることによって、溝４を形成するように曲げる。その結果、本実施形態に係る装置が製造される。

「液体の分離方法」
図１及び図３を参照して、本実施形態に係る液体操作装置において液体Ｌを分離する方法（液体Ｌの分離方法）の一例について説明する。ここでは、液体Ｌ、特に、液滴Ｌを、互いに同じ分量を有する２つの部分Ｌ１，Ｌ２に分離する方法について説明する。最初に、図１に示すように、装置を、少なくとも３つの電極２に電圧を印加した状態とする。このとき、液体Ｌは、溝４に沿うと共に少なくとも３つの電極２に跨るように一体になって延びた状態で保持されている。

次に、図３に示すように、装置を、少なくとも３つの電極２のうち、溝４の長手方向の両端にそれぞれ位置する両端の電極２に電圧が印加されたまま、少なくとも３つの電極２のうち、両端側の電極２の間に位置する中間の電極２に電圧を印加しない状態とする。このとき、溝４の長手方向の一方側に位置する液体Ｌの一方部分Ｌ１が、同一方側の端の電極２にて生じる静電気力によって、この電極２に向かって移動する。また、溝４の長手方向の他方側に位置する液体Ｌの他方部分Ｌ２が、同他方側の端の電極２にて生じる静電気力によって、この電極２に向かって移動する。

さらに、上述のように溝４によって液体Ｌの表面張力が減少するので、液体Ｌの一方及び他方部分Ｌ１，Ｌ２は、両端の電極２の間で分離される。この分離の後、液体Ｌの一方部分Ｌ１が、一方側の端の電極２にて生じる静電気力によって一方側の端の電極２に対応する位置で保持され、かつ液体Ｌの他方部分Ｌ２が、他方側の端の電極２にて生じる静電気力によって、他方側の端の電極２に対応する位置で保持される。しかしながら、液体操作装置においては、液体Ｌの分離によって得られる部分（以下、必要に応じて「分離部分」という）の数及び分量を調節することもできる。具体的には、液体Ｌを３つ以上の部分に分離することもできる。さらに、分離部分の分量を変化させることもできる。例えば、２つ以上の分離部分のうち１つの分離部分の分量を、これらのうち残りの分離部分の分量と異ならせることができる。なお、液体Ｌの分離部分の数及び分量を調節する方法の詳細については後述する。

以上、本実施形態に係る開放空間型の液体操作装置の基本的な構成においては、装置は、基板１と、この基板１の表面１ｂ上に配置される少なくとも３つの電極２と、少なくとも３つの電極２を覆うように基板１の表面１ｂ上に配置される絶縁膜３とを有し、絶縁膜３の表面３ｂから絶縁膜３の裏面３ａに向かう方向に凹む溝４が形成され、この溝４が少なくとも３つの電極２に跨って延びている。このような溝４は、固液界面を気液界面又は液液界面よりも大きくするように設定され、かかる溝４内に配置される液体Ｌ、特に、液滴Ｌにおける表面張力の影響を低下させることができる。その結果、上記液体Ｌの分離方法に示すように、液体Ｌ、特に、液滴Ｌを効率的に分離することができる。ひいては、液体Ｌ、特に、液滴Ｌの制御性能を向上させることができる。

本実施形態に係る開放空間型の液体操作装置の基本的な構成においては、溝４が、この溝４の開口部４ａから溝４の底部４ｂに向かうに従って溝４の幅を減少させるように形成されている。かかる溝４は、毛細管現象を生じさせ易いように形成でき、その結果、液体Ｌ、特に、液滴Ｌが溝４内に浸み込むように変形し易くなる。そのため、溝４内の液体Ｌの表面張力の影響を低下させることができる。よって、液体Ｌ、特に、液滴Ｌを効率的に分離することができる。

さらに、本実施形態に係る開放空間型の液体操作装置の具体的な構成においては、基板１が、可撓性を有するようにシート状又はフィルム状に形成され、基板１と、少なくとも３つの電極２と、絶縁膜３とが、溝４の底部４ｂを形成するように折れ曲がった屈曲部Ｄを設けることによって、溝４を形成するように曲がっている。そのため、液体Ｌの表面張力の影響を低下させることができる溝４を容易に形成することができる。よって、特に、製造効率を含む効率性を勘案した場合において、液体Ｌ、特に、液滴Ｌを効率的に分離することができる。

「第２実施形態」
第２実施形態に係る開放空間型の液体操作装置について説明する。

「液体操作装置の基本的な構成」
図４及び図５を参照して、本実施形態に係る液体操作装置の基本的な構成について説明する。すなわち、本実施形態に係る装置は基本的には次のようになっている。本実施形態に係る装置の基本的な構成は、第１実施形態に係る装置の基本的な構成と同様である。このような本実施形態に係る装置は、第１実施形態に係る装置の基本的な構成と同様に構成された基板１１、少なくとも３つの電極１２，１３、絶縁膜１４、溝１５、第１側方領域１６、第２側方領域１７、第１構造体Ｆ２及び第２構造体Ｓ２を有する。

本実施形態に係る基板１１は、第１実施形態に係る装置の基本的な構成と同様に構成された裏面１１ａ、表面１１ｂ、第１部分１１ｃ、第２部分１１ｄ、凹部１１ｅを有する。本実施形態に係る絶縁膜１４は、第１実施形態に係る装置の基本的な構成と同様に構成された裏面１４ａ、表面１４ｂ、第１部分１４ｃ及び第２部分１４ｄを有する。本実施形態に係る溝１５は、第１実施形態に係る装置の基本的な構成と同様に構成された開口部１５ａ、底部１５ｂ、第１壁部分１５ｃ及び第２壁部分１５ｄを有する。

「液体操作装置の具体的な構成」
図４及び図５を参照して、本実施形態に係る液体操作装置の具体的な構成について説明する。すなわち、本実施形態に係る装置は具体的には次のようになっているとよい。基板１１の第１部分１１ｃは、可撓性を有するようにシート状又はフィルム状に形成されている。

少なくとも３つの電極１２，１３は、第１及び第２構造体Ｆ２，Ｓ２に分配される。このような少なくとも３つの電極１２，１３は、溝１５の底部１５ｂに対して溝１５の幅方向の一方側及び他方側にそれぞれ位置する第１電極１２及び第２電極１３から成る。第１及び第２電極１２，１３は互いに間隔を空けて配置される。詳細には、少なくとも３つの電極１２，１３は、少なくとも２つの第１電極１２と、少なくとも１つの第２電極１３とから成るか、又は少なくとも１つの第１電極１２と、少なくとも２つの第２電極１３とから成る。しかしながら、少なくとも３つの電極のすべてが、第１及び第２構造体の一方に設けられてもよい。なお、図４においては、５つの第１電極１２を有する第１構造体Ｆ２と、５つの第２電極１３を有する第２構造体Ｓ２とが示されている。しかしながら、第１及び第２電極の数はこれに限定されない。

第１構造体Ｆ２は、基板１１の第１部分１１ｃ及び絶縁膜１４の第１部分１４ｃに加えて、第１電極１２を含む。第２構造体Ｓ２は、基板１１の第２部分１１ｄ及び絶縁膜１４の第２部分１４ｄに加えて、第２電極１３を含む。第１構造体Ｆ２は、溝１５の底部１５ｂを形成するように絶縁膜１４の第１及び第２部分１４ｃ，１４ｄの表面１４ｂ１，１４ｂ２を当接させた当接部Ｔ１を設けることによって、第２構造体Ｓ２と協働して溝１５を形成するように曲がっている。

基板１１の第２部分１１ｄは、可撓性を有するようにシート状又はフィルム状に形成されており、第２構造体Ｓ２は、第１構造体Ｆ２と協働して溝１５を形成するように曲がっている。しかしながら、本発明はこれに限定されず、第２構造体を、第１構造体と協働して溝を形成するように略平坦に形成することもできる。この場合、基板の第２部分を、可撓性を有するようにシート状若しくはフィルム状に形成するか、又は剛性を有するように形成することもできる。

さらに、第１電極１２の一部又は全部は、溝１５の第１壁部分１５ｃに配置される。第２電極１３の一部又は全部は、溝１５の第２壁部分１５ｄに配置される。なお、図４においては、一例として、第１電極１２の一部及び第２電極１３の一部が溝１５の第１壁部分１５ｃ及び第２壁部分１５ｄにそれぞれ配置された状態が示されている。第１及び第２電極１２，１３は溝１５の長手方向に沿って並んでいる。図４においては、第１及び第２電極１２，１３は溝１５の長手方向に沿って交互に並んでいる。しかしながら、第１及び第２電極の並び方はこれに限定されない。

第１及び第２構造体Ｆ２，Ｓ２は別体となっている。そのため、基板１１の第１部分１１ｃ及び絶縁膜１４の第１部分１４ｃは別体となっており、かつ基板１１の第２部分１１ｄ及び絶縁膜１４の第２部分１４ｄは別体となっている。なお、第１及び第２電極１２，１３ももちろん別体となっている。

「基板、電極、絶縁膜、溝及び側方領域の具体的な構成」
図４及び図５を参照して、基板１１、電極１２，１３、絶縁膜１４、溝１５及び側方領域１６，１７の具体的な構成について説明する。すなわち、基板１１、電極１２，１３、絶縁膜１４、溝１５及び側方領域１６，１７は具体的には次のようになっているとよい。上述のように基板１１の第２部分１１ｄは、可撓性を有するようにシート状又はフィルム状に形成されている。しかしながら、上述のように基板の第２部分は剛性を有するように構成することもできる。この場合、基板の第２部分は、ガラス、シリコン等から構成することができる。また、基板の第２部分の厚さを、基板に剛性をもたらすように設定することもできる。

基板１１の第１及び第２部分１１ｃ，１１ｄのそれぞれは、第１実施形態に係る基板１の具体的な構成と同様に構成される。かかる基板１１の第２部分１１ｄは、同第１部分１１ｃとの配置関係を除いて、同第１部分１１ｃと同じように構成することができる。しかしながら、基板の第１及び第２部分は、互いに異なるように構成することもできる。

少なくとも３つの電極１２，１３、特に、第１及び第２電極１２，１３は、第１実施形態に係る電極２の具体的な構成と同様に構成される。なお、第２電極１３は、第１電極１２との配置関係を除いて、第１電極１２と同じように構成することができる。しかしながら、第１及び第２電極は、互いに異なるように構成することもできる。

絶縁膜１４の第１及び第２部分１４ｃ，１４ｄのそれぞれは、第１実施形態に係る絶縁膜１４の具体的な構成と同様に構成される。かかる絶縁膜１４の第２部分１４ｄは、同第１部分１４ｃとの配置関係を除いて、同第１部分１４ｃと同じように構成することができる。しかしながら、絶縁膜の第１及び第２部分は、互いに異なるように構成することもできる。

溝１５は、第１実施形態に係る溝４の具体的な構成と同様に構成される。第１及び第２側方領域１６，１７は、第１実施形態に係る第１及び第２側方領域５，６とそれぞれ同様に構成される。なお、第１及び第２側方領域は、上述のように基板の第２部分が剛性を有するように構成される場合には、第２側方領域が、この第２側方領域と連続する溝の第２壁部分と一緒に略直線状に延び、かつ第１側方領域が、この第１側方領域と連続する溝の第１壁部分から湾曲するように延びる。

「液体操作装置の製造方法」
本実施形態に係る液体操作装置の製造方法の一例を説明する。特に明確に図示はしないが、最初に、別体である第１及び第２構造体Ｆ２，Ｓ２を準備する。第１構造体Ｆ２を、溝１５の底部１５ｂを形成するように絶縁膜１４の第１及び第２部分１４ｃ，１４ｄの表面１４ｂ１，１４ｂ２を当接させた当接部Ｔ１を設けることによって、第２構造体Ｓ２と協働して溝１５を形成するように曲げる。絶縁膜１４の第１及び第２部分１４ｃ，１４ｄの表面１４ｂ１，１４ｂ２を、当接部Ｔ１にて、クリップ留め、接着等によって接合する。その結果、本実施形態に係る装置が製造される。

本実施形態に係る液体Ｌの分離方法は、第１実施形態に係る液体の分離方法と同様である。

以上、本実施形態に係る開放空間型の液体操作装置の基本的な構成においては、第１実施形態に係る液体操作装置の基本的な構成と同様の作用及び効果を得ることができる。さらに、本実施形態に係る開放空間型の装置の具体的な構成においては、基板１１の第１部分１１ｃが、可撓性を有するようにシート状又はフィルム状に形成され、少なくとも３つの電極１２，１３が、基板１１の第１部分１１ｃ及び絶縁膜１４の第１部分１４ｃを含む第１構造体Ｆ２と、基板１１の第２部分１１ｄ及び絶縁膜１４の第２部分１４ｄを有する第２構造体Ｓ２とに分配されるか、又は第１及び第２構造体Ｆ２，Ｓ２の一方に設けられ、第１構造体Ｆ２が、溝１５の底部１５ｂを形成するように絶縁膜１４の第１及び第２部分１４ｃ，１４ｄの表面１４ｂ１，１４ｂ２を当接させた当接部Ｔ１を設けることによって、第２構造体Ｓ２と協働して溝１５を形成するように曲がっている。そのため、液体Ｌ、特に、液滴Ｌの表面張力の影響を低下させることができる溝１５を容易に形成することができる。よって、特に、製造効率を含む効率性を勘案した場合において、液体Ｌ、特に、液滴Ｌを効率的に分離することができる。

本実施形態に係る開放空間型の液体操作装置の具体的な構成においては、第１及び前記第２構造体Ｆ２，Ｓ２が別体となっている。そのため、別体である第１及び前記第２構造体Ｆ２，Ｓ２を、例えば、クリップ留め、接着等を用いて、上述のような当接部Ｔ１を設けながら溝１５を形成するように組み立てれば、液体Ｌ、特に、液滴Ｌの表面張力の影響を低下させることができる溝１５を容易に形成することができる。よって、特に、製造効率を含む効率性を勘案した場合において、液体Ｌ、特に、液滴Ｌを効率的に分離することができる。

本実施形態に係る開放空間型の液体操作装置の具体的な構成においては、基板１１の第２部分１１ｄが、可撓性を有するようにシート状又はフィルム状に形成されており、第２構造体Ｓ２が、第１構造体Ｆ２と協働して溝１５を形成するように曲がっているので、液体Ｌ、特に、液滴Ｌの表面張力の影響を低下させることができる溝１５を容易に形成することができる。よって、特に、製造効率を含む効率性を勘案した場合において、液体１５、特に、液滴１５を効率的に分離することができる。

なお、本実施形態に係る開放空間型の液体操作装置の具体的な構成においては、第２構造体が、第１構造体と協働して溝を形成するように略平坦に形成されている場合においても、液体、特に、液滴の表面張力の影響を低下させることができる溝を容易に形成することができる。よって、特に、製造効率を含む効率性を勘案した場合において、液体、特に、液滴を効率的に分離することができる。

「第３実施形態」
第３実施形態に係る開放空間型の液体操作装置について説明する。

「液体操作装置の基本的な構成」
図６及び図７を参照して、本実施形態に係る液体操作装置の基本的な構成について説明する。すなわち、本実施形態に係る装置は基本的には次のようになっている。本実施形態に係る装置の基本的な構成は、第１又は第２実施形態に係る装置の基本的な構成と同様である。このような本実施形態に係る装置は、第１又は第２実施形態に係る装置の基本的な構成と同様に構成された基板２１、少なくとも３つの電極２２，２３、絶縁膜２４、溝２５、第１側方領域２６、第２側方領域２７、第１構造体Ｆ３及び第２構造体Ｓ３を有する。なお、図６においては、５つの第１電極２２を有する第１構造体Ｆ３と、５つの第２電極２３を有する第２構造体Ｓ３とが示されている。しかしながら、第１及び第２電極の数はこれに限定されない。

本実施形態に係る基板２１は、第１又は第２実施形態に係る装置の基本的な構成と同様に構成された裏面２１ａ、表面２１ｂ、第１部分２１ｃ、第２部分２１ｄ、凹部２１ｅを有する。本実施形態に係る絶縁膜２４は、第１又は第２実施形態に係る装置の基本的な構成と同様に構成された裏面２４ａ、表面２４ｂ、第１部分２４ｃ及び第２部分２４ｄを有する。本実施形態に係る溝２５は、第１又は第２実施形態に係る装置の基本的な構成と同様に構成された開口部２５ａ、底部２５ｂ、第１壁部分２５ｃ及び第２壁部分２５ｄを有する。

「液体操作装置の具体的な構成」
図６及び図７を参照して、本実施形態に係る液体操作装置の具体的な構成について説明する。すなわち、本実施形態に係る装置は具体的には次のようになっているとよい。本実施形態に係る装置の具体的な構成は、第１及び前記第２構造体Ｆ３，Ｓ３が一体形成されている点を除いて、第２実施形態に係る装置の具体的な構成と同様である。

このような装置においては、第１及び前記第２構造体Ｆ３，Ｓ３が一体形成されているので、基板２１の第１部分２１ｃ及び絶縁膜２４の第１部分２４ｃは一体形成されており、かつ基板２１の第２部分２１ｄ及び絶縁膜２４の第２部分２４ｄは一体形成されている。第１及び第２電極１２，１３は別体となっている。なお、第１電極は、第１構造体に分配される本体部と、この本体部から第１構造体を超えて第２構造体に掛かるように延びる延長部とを有することができる。第２電極もまた、第２構造体に分配される本体部と、この本体部から第２構造体を超えて第１構造体に掛かるように延びる延長部とを有することができる。

第１及び前記第２構造体Ｆ３，Ｓ３は、第２実施形態に係る当接部Ｔ１に相当する当接部Ｔ２に対して基板２１の裏面２１ａ側に位置する連結部Ｎにて連結されるように一体形成されている。連結部Ｎは円弧形状に形成されている。しかしながら、連結部は、溝の長手方向に沿って延びる中空空間を有する略滴形状に形成することもできる。

「基板、電極、絶縁膜、溝及び側方領域の具体的な構成」
図６及び図７を参照して、基板２１、電極２２，２３、絶縁膜２４、溝２５及び側方領域２６，２７の具体的な構成について説明する。すなわち、基板２１、電極２２，２３、絶縁膜２４、溝２５及び側方領域２６，２７は具体的には次のようになっているとよい。基板２１の第１部分２１ｃ及び絶縁膜２４の第１部分２４ｃは一体形成されているので、基板２１の第２部分２１ｄもまた、可撓性を有するようにシート状又はフィルム状に形成されている。基板２１は、第１実施形態に係る基板１の具体的な構成と同様に構成される。

少なくとも３つの電極１２，１３、特に、第１及び第２電極２２，２３は、第１実施形態に係る電極２の具体的な構成と同様に構成される。かかる第２電極２３は、第１電極２２との配置関係を除いて、第１電極２２と同じように構成することができる。しかしながら、第１及び第２電極は、互いに異なるように構成することもできる。

さらに、絶縁膜２４は、第１実施形態に係る絶縁膜３の具体的な構成と同様に構成される。溝２５は、第１実施形態に係る溝４の具体的な構成と同様に構成される。第１及び第２側方領域２６，２７は、第１実施形態に係る第１及び第２側方領域５，６とそれぞれ同様に構成される。

「液体操作装置の製造方法」
本実施形態に係る液体操作装置の製造方法の一例を説明する。特に明確に図示はしないが、最初に、第１及び第２構造体Ｆ１，Ｓ１を滑らかに連続させるように一体形成した装置用材料を準備する。かかる装置用材料を、溝２５の底部２５ｂを形成するように絶縁膜２４の第１及び第２部分２４ｃ，２４ｄの表面２４ｂ１，２４ｂ２を当接させた当接部Ｔ２と、当接部Ｔ２に対して基板２１の裏面２１ａ側に位置する連結部Ｎとを設けることによって、溝２５を形成するように曲げる。絶縁膜２４の第１及び第２部分２４ｃ，２４ｄの表面２４ｂ１，２４ｂ２を、当接部Ｔ２にて、クリップ留め、接着等によって接合する。その結果、本実施形態に係る装置が製造される。

なお、本実施形態に係る液体Ｌの分離方法は、第１又は第２実施形態に係る液体の分離方法と同様である。

以上、本実施形態に係る開放空間型の液体操作装置の基本的な構成においては、第１実施形態に係る液体操作装置の基本的な構成と同様の作用及び効果を得ることができる。さらに、本実施形態に係る開放空間型の液体操作装置の具体的な構成においては、第１及び第２構造体Ｆ２，Ｓ２が別体である構成に基づく作用及び効果を除いて、第２実施形態に係る液体操作装置の具体的な構成と同様の作用及び効果を得ることができる。

さらに、本実施形態に係る開放空間型の液体操作装置の具体的な構成においては、第１及び前記第２構造体Ｆ３，Ｓ３が一体形成されている。そのため、一体形成された第１及び前記第２構造体Ｆ３，Ｓ３を、例えば、クリップ留め、接着等を用いて、上述のような当接部Ｔ２及び連結部Ｎを設けながら溝２５を形成するように組み立てれば、液体Ｌ、特に、液滴Ｌの表面張力の影響を低下させることができる溝２５を容易に形成することができる。よって、特に、製造効率を含む効率性を勘案した場合において、液体Ｌ、特に、液滴Ｌを効率的に分離することができる。

「液体の分離部分の数及び分量を調節する方法の詳細」
ここで、図８～図１１を参照して、液体Ｌの分離部分の数及び分量を調節する方法について詳細に説明する。かかる説明においては、第２実施形態に係る液体操作装置を用いる。しかしながら、液体Ｌの分離部分の数及び分量を調節する方法は、第１～第３実施形態を含む本発明の液体操作装置において実施することができる。

液体操作装置においては、液体Ｌの分離によってｍ個の分離部分を得ることができる。ｍは２以上の整数である。この場合、液体操作装置において、電極１２，１３の総数は（２ｍ－１）個以上である。第２実施形態に係る液体操作装置においては、第１及び第２電極１２，１３の総数が（２ｍ－１）個以上である。なお、図８～図１１においては、第１実施形態と同様に、（２ｍ－１）個以上の電極１２，１３が回路Ｐに接続されており、回路Ｐは、（２ｍ－１）個以上の電極１２，１３に対して各別に電圧を印加できるようになっている。

最初に、図８に示すように、（２ｍ－１）個以上の電極１２，１３に電圧を印加した状態とする。このとき、液体Ｌは、溝１５に沿うと共に（２ｍ－１）個以上の電極１２，１３に跨るように一体になって延びた状態で保持されている。

次に、図９～図１１に示すように、装置において、１つの電極１２，１３又は隣接する２つ以上の電極１２，１３から成るｍ個の電極要素に電圧を印加したままの状態とする（以下、このように電圧を印加されたままの電極から成る電極要素を「印加電極要素」という）。その一方で、残りの電極１２，１３における電圧の印加を停止する（以下、このように電圧の印加を停止した電極を「非印加電極」という）。隣り合う印加電極要素の間には、少なくとも１つの非印加電極１２，１３が位置する。このとき、ｍ個の分離部分は、それぞれ、ｍ個の印加電極要素にて生じる静電気力によってｍ個の印加電極要素に向かって移動する。

さらに、溝１５によって液体Ｌの表面張力が減少するので、液体Ｌは、ｍ個の分離部分を得るように、隣り合う印加電極要素の間にて分離される。かかる分離の後、ｍ個の分離部分は、それぞれ、ｍ個の印加電極要素にて生じる静電気力によってｍ個の印加電極要素に対応する位置でそれぞれ保持される。

このような装置において、分離部分の数は、印加電極要素の数を変更することによって調節することができる。各分離部分の分量は、この分離部分を保持するために用いられる印加電極要素の電極１２，１３の数を変更することによって調節することができる。特に、溝１５の長手方向における電極１２，１３の長さを略等しくする場合、分離部分の分量を、印加電極要素を構成する電極１２，１３の数に比例させるように増減させることができる。

一例として、図９に示すように、１つの電極１２，１３から成る２つの印加電極要素によって、互いに等しい分量を有する２個の分離部分Ｌ１１，Ｌ１２を得ることができる。一例として、図１０に示すように、１つの電極１２，１３から成る３つの印加電極要素によって、互いに等しい分量を有する３個の分離部分Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３を得ることができる。

さらに一例として、図１１に示すように、１つの電極１２，１３から成る１つの印加電極要素と、隣接する２つの電極１２，１３から成る別の１つの印加電極要素とによって、互いに異なる分量を有する２個の分離部分Ｌ３１，Ｌ３２を得ることができる。この場合、溝１５の長手方向における電極１２，１３の長さは略等しくなっており、別の１つの印加電極要素に対応する位置で保持される分離部分Ｌ３２の分量は、１つの印加電極要素に対応する位置で保持される分離部分Ｌ３１の分量に対して約２倍となる。しかしながら、分離部分の数及び分量の調節は、図９～図１１に示された態様に限定されない。

ここまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、その技術的思想に基づいて変形及び変更可能である。

本発明に係る液体操作装置は、ポータブルかつディスポーサブルな自動バッチ式の機器や、アッセイ装置等に組み込んで用いることができる。このような機器としては、例えば、試薬成分センサー、試薬配合処理装置、試薬成分自動選定機、微小閉環境型の無菌単離細胞培養器、細胞種ごとに配列された人工臓器合成器等が挙げられるが、当該機器は、これらには限定されない。

１…基板，１ｂ…表面，２…電極，３…絶縁膜，３ａ…裏面，３ｂ…表面，４…溝，４ａ…開口部，４ｂ…底部，Ｄ…屈曲部
１１…基板，１１ｂ…表面，１１ｃ…第１部分，１１ｄ…第２部分，１２…第１電極（電極），１３…第２電極（電極），１４…絶縁膜，１４ａ…裏面，１４ｂ，１４ｂ１，１４ｂ２…表面，１４ｃ…第１部分，１４ｄ…第２部分，１５…溝，１５ａ…開口部，１５ｂ…底部，Ｆ２…第１構造体，Ｓ２…第２構造体，Ｔ１…当接部
２１…基板，２１ｂ…表面，２１ｃ…第１部分，２１ｄ…第２部分，２２…第１電極（電極），２３…第２電極（電極），２４…絶縁膜，２４ａ…裏面，２４ｂ，２４ｂ１，２４ｂ２…表面，２４ｃ…第１部分，２４ｄ…第２部分，２５…溝，２５ａ…開口部，２５ｂ…底部，Ｆ３…第１構造体，Ｓ３…第２構造体，Ｔ２…当接部，Ｎ…連結部
Ｌ…液体（液滴）

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板の表面上に配置される少なくとも３つの電極と、
   前記少なくとも３つの電極を覆うように前記基板の表面上に配置される絶縁膜と
   を備え、
   前記絶縁膜が、前記基板の表面を向く裏面と、前記絶縁膜の裏面に対して前記絶縁膜の厚さ方向の反対側に位置する表面とを有し、
   前記絶縁膜の表面が外部に開放されており、
   前記少なくとも３つの電極に印加する電圧を変化させることによって生じる静電気力の変化を用いて、液体を前記絶縁膜の表面上で制御できるように構成される開放空間型の液体操作装置であって、
   前記絶縁膜の表面から前記絶縁膜の裏面に向かう方向に凹む溝が形成され、
   前記溝が前記少なくとも３つの電極に跨って延びており、
   前記基板が、前記溝の底部に対して前記溝の幅方向の一方側及び他方側にそれぞれ位置する第１部分及び第２部分を有し、
   前記基板の第１部分が、可撓性を有するようにシート状又はフィルム状に形成され、
   前記絶縁膜が、前記溝の底部に対して前記溝の幅方向の一方側及び他方側にそれぞれ位置する第１部分及び第２部分を有し、
   前記基板の第１部分及び前記絶縁膜の第１部分を含む第１構造体と、前記基板の第２部分及び前記絶縁膜の第２部分を有する第２構造体とが、前記溝の底部に対して前記溝の幅方向の一方側及び他方側にそれぞれ形成され、
   前記少なくとも３つの電極が、前記第１及び第２構造体に分配されるか、又は前記第１及び第２構造体の一方に設けられ、
   前記第１構造体が、前記溝の底部を形成するように前記絶縁膜の第１及び第２部分の表面を当接させた当接部を設けることによって、前記第２構造体と協働して前記溝を形成するように曲がっている、開放空間型の液体操作装置。
2. 基板と、
   前記基板の表面上に配置される少なくとも３つの電極と、
   前記少なくとも３つの電極を覆うように前記基板の表面上に配置される絶縁膜と
   を備え、
   前記絶縁膜が、前記基板の表面を向く裏面と、前記絶縁膜の裏面に対して前記絶縁膜の厚さ方向の反対側に位置する表面とを有し、
   前記絶縁膜の表面が外部に開放されており、
   前記少なくとも３つの電極に印加する電圧を変化させることによって生じる静電気力の変化を用いて、液体を前記絶縁膜の表面上で制御できるように構成される開放空間型の液体操作装置であって、
   前記絶縁膜の表面から前記絶縁膜の裏面に向かう方向に凹む溝が形成され、
   前記溝が前記少なくとも３つの電極に跨って延びており、
   前記溝が、前記溝の開口部から前記溝の底部に向かうに従って前記溝の幅を減少させるように形成され、
   前記基板が、可撓性を有するようにシート状又はフィルム状に形成され、
   前記基板と、前記少なくとも３つの電極と、前記絶縁膜とが、前記溝の底部を形成するように折れ曲がった屈曲部を設けることによって、前記溝を形成するように曲がっている、開放空間型の液体操作装置。
3. 前記第１及び前記第２構造体が別体となっている、請求項１に記載の開放空間型の液体操作装置。
4. 前記基板の第２部分が、可撓性を有するようにシート状又はフィルム状に形成されており、
   前記第２構造体が、前記第１構造体と協働して前記溝を形成するように曲がっている、請求項３に記載の開放空間型の液体操作装置。
5. 前記第２構造体が、前記第１構造体と協働して前記溝を形成するように略平坦に形成されている、請求項３に記載の開放空間型の液体操作装置。
6. 前記第１及び前記第２構造体が一体となっている、請求項１に記載の開放空間型の液体操作装置。

Images