JPH10267801A - 液体微粒子ハンドリング装置 - Google Patents

液体微粒子ハンドリング装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】試料および試薬を疎水性表面上の液滴の形で扱
い，これらを静電力で駆動することにより，バルブ・ポ
ンプのいらない極微量化学反応および分析装置を構成す
る。 【解決手段】基板上に電極列を設け，この上に疎水性表
面処理をする。試料および試薬を液滴化してこの表面上
に置き，電極に印加する電圧を順次切り替えていくこと
により，液滴を輸送する。反応は２つの液滴を衝突させ
て混合させることにより行う。分岐を作れば粒子を振り
分けることができる。バルブ・ポンプなどの不要な簡単
な構造で極微量化学反応および分析装置が実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は液体微粒子取り扱い
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年，一枚または複数の基板の上に微細
化した流路・反応槽・検出器などを集積化して，入口か
ら導入した化学物質の分析・同定・モニタリングなどを
行うμ-TAS (micro-Total Analysis System) などと呼
ばれるシステムが実用化されようとしている。μ-TASに
おいては，マイクロマシーニングの技術が，流路や反応
槽などの構造を形成するのみならず，送液のためのマイ
クロポンプ・マイクロバルブや，反応炉のマイクロヒー
ター，温度・圧力・pHなどの測定のためのディテクタ
ー，光学的検出のための光ファイバーのフィッティング
などに有効に用いられている。μ-TASは，装置を構成す
る要素が自体が小型で，かつ全体が一体化して作られる
ため，1) 分析対象の試料や反応試薬が微小で済む，2)
反応に要する時間が短い，3) 信頼性が高い，4) コスト
も安くできる，などの特長を有する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら，現在提
案・開発されているμ-TASには，下記のようないくつか
の解決すべき技術的問題点がある。 1) 連続した流路の中に試料・バッファー・反応試薬を
流す形式のものであるので，例えば長い反応時間を有す
る反応を起こすための反応槽は，必然，長い管となる。 2) たとえば電気泳動やクロマトグラフィーにおいて分
離管にパルス状に試料を注入する場合などには，バルブ
に低いリーク率と高いコンダクタンスが要求される。こ
のようなバルブは必然的に複雑な構造であり，μ-TAS実
現のための最大の開発要素となっている。 3) バルブに代わるものとして，単なる分岐を用いて，
電気浸透により溶液の注入を制御する方法も提案されて
いるが，この手法においては，リークの制御が困難であ
る。 4) システム全体をマイクロ化することによりデッドボ
リューム（無効体積）も微小になると主張されている
が，系をそのままスケールダウンしただけでは，その絶
対値は小さくなるものの，反応系全体の体積に対する割
合は小さくならない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明においては，疎水
表面上に置かれた液体が球形に近い形の液滴となること
を利用し，試料および試薬を疎水表面上での液滴として
取り扱い，これを電極列に電圧を印加することにより駆
動し，輸送・振り分け・混合などを行う。
【０００５】
【実施例】図１は，本発明の微粒子ハンドリング装置に
よる液滴の輸送の実施例である。この例では，基板の上
に，そのピッチを液滴直径よりも小さくとった６相の電
極列が設けられ，その上面には疎水性コーティングが施
されている。一般に固体表面に置かれた液滴は，表面と
液との親和性で決まるある接触角をもって表面と接触す
る。表面が疎水性であれば，接触角は90度より大きくな
る。さらに，表面が十分に疎水性であれば，接触角は大
きくなり，蓮の葉の上の露のように液滴はほぼ球形とな
る。接触角が90度より大きい状態で，液滴近傍にある電
極の一つに電圧を印加すると，液滴と電極の間に電気力
線が発生し，その結果として液滴は電圧を印加した電極
に向かって引き寄せられる。電極列に順次に電圧を印加
して行けば，液滴はこれにつれて輸送される。駆動の原
理は，液滴に誘導される電荷と外部電界の相互作用，す
なわち誘電泳動であり，液滴に電荷が誘導される限りに
おいては，液滴の導電性にかかわらず液滴は駆動され
る。なお，電極のピッチが液滴直径より大きい場合は，
粒子全体が電極の作る電界の中に入り込んでしまうた
め，有効な駆動は行えない。
【０００６】表面が金属の電極やガラスのように親水性
である場合には，接触角は90度より小さくなり，液滴は
表面上にレンズ状に広がってしまい，有効な駆動力が得
られない。すなわち，有効な駆動は，本発明の疎水性表
面においてのみ得られる。十分な疎水性表面を得るため
の手段としては，表面のテフロンコーティング，シラン
カプラーを用いた表面のフルオロカーボン化あるいはア
ルキル化，パラフィンあるいはワックスによるコーティ
ングなどが例示される。さらに，図２のように，表面に
縦横比の大きい凹凸面を加工すれば，液滴は凸面の上部
のみで表面と接触するため，表面との相互作用がより小
さくなり，駆動がより容易になる。これに加え，この凸
構造は，接触面積を小さくするため，液滴中の溶質の表
面への吸着を極小化する効果もある。
【０００７】図３は，本発明の微粒子ハンドリング装置
による液滴の振り分けと融合の装置の実施例である。こ
の装置は，独立に電圧を印加できるAおよびBで示された
2組の12相の電極列と，液滴をガイドするための溝から
なる。この装置を作成する手法としては，ガラス基板上
に蒸着した金属箔をフォトリソグラフィーによりパター
ン化，その上から感光性樹脂を塗布しフォトリソグラフ
ィーによりガイド溝を形成し，最後に全体にアモルファ
ステフロンコーティングを施す手法等が例示される。ポ
ートZに始まるガイド溝は，装置中央で分岐し，ポートX
およびYにつながる。ポートZに置かれた液滴は，A,Bい
ずれかの電極列を電極1から12の順で順次励起していく
ことにより，ポートXまたはYへと導かれる。逆に，ポー
トXおよびYに置かれた液滴は，A,B両方の電極列を電極1
2から1の順で励起していくことにより，分岐部分で接触
し，融合する。
【０００８】図４は，上記の本発明になる微粒子ハンド
リング装置による輸送・振り分け・融合を，微量化学反
応装置に応用した例である。この例では，入口より導入
された試料液滴に対し，２種類の反応試薬を加えた後，
２つある出口の何れかへと導く。液滴同士は接触させる
と容易に融合するので，試料や試薬の混合は，２つの通
路の合流点で液滴を接触させることにより行う。時間の
かかる反応を行う場合には，試薬を加えた後，電極に印
加する電圧のスイッチングを一時停止し，単に放置して
おけばよい。図２で例示されたような分岐を作れば，液
滴をいずれかの通路へと振り分けることができる。試料
および試薬は独立した液滴として扱われるため，試料・
試薬のリークや不必要な混合が生じる恐れはない。
【０００９】微小液滴は蒸発しやすいが，液滴の通路に
適当なカバーをつけ閉鎖構造にすることにより蒸発は容
易に防止できる。管路の断面が液滴より小さい場合には
図に示すように液滴は変形するが，このような場合でも
管路内面が疎水性であれば液滴と表面には90度より大き
い接触角が形成されるので，本発明になる電界による駆
動の効果には変わりがない。
【００１０】
【発明の効果】本発明による液体微粒子ハンドリング装
置によれば，構造が簡単で，デッドボリュームがなく，
ポンプ・バルブも不要で，試料・試薬の混合やリークの
問題もなく，かつ長時間を要する反応に対しても，単に
液滴を放置するだけで済むという特長を有する微量化学
反応・分析装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【 図１】本発明の微粒子ハンドリング装置による液滴
の輸送の実施例を示す図である。
【 図２】表面に凹凸面を持つ疎水表面を表す図であ
る。
【 図３】本発明による液滴の振り分けと融合の装置の
実施例を示す図である。
【 図４】本発明による微量化学反応装置を示す図であ
る。
【 図５】本発明による管路タイプの液滴輸送装置を示
す図である。
【符号の説明】
１ 液滴 ２ 疎水性表面コーティング ３ 電極 ４ 基板 ５ 接触角 ６ 電気力線 ７ 駆動力 ８ 疎水性凹凸面 ９ 液滴ガイド溝 １０ ポートＺ １１ ポートＸ １２ ポートＹ １３ 電極列Ａ １４ 電極列Ｂ １５ 電極Ａ１ １６ 電極Ａ１２ １７ 電極Ｂ１ １８ 電極Ｂ１２ １９ 試料液滴入口 ２０ 試薬液滴入口１ ２１ 試薬液滴入口２ ２２ 融合領域１ ２３ 融合領域２ ２４ 出口Ａ ２５ 出口Ｂ ２６ 管路 ２７ 変形された液滴

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板上に表面を疎水化した電極列を設け，
    電極列に順次電圧を印加していくことによりこの上にの
    せた液体微粒子を輸送することを特長とする液体微粒子
    ハンドリング装置。
  2. 【請求項２】電極列を構成する一つの電極中心から隣接
    する電極の中心までの間隔が取り扱われる液体微粒子の
    直径よりも小さいことを特長とする請求項１に記載の液
    体微粒子ハンドリング装置。
  3. 【請求項３】液体微粒子を置く疎水表面に凸部の高さが
    その幅の0.5倍以上であるような凹凸を加工して液体と
    表面との接触面積を低減したことを特長とする請求項１
    に記載の液体微粒子ハンドリング装置。
  4. 【請求項４】液体微粒子の直径の0.1倍以上の高さを持
    つ疎水性のガイド溝をつけて液体微粒子の通路としたこ
    とを特長とする請求項１に記載の液体微粒子ハンドリン
    グ装置。
  5. 【請求項５】電極表面上に液体微粒子の通路となる疎水
    性の管路を設けたことを特長とする請求項１に記載の液
    体微粒子ハンドリング装置。
  6. 【請求項６】管路の幅または高さを液体微粒子よりも小
    さくとり，液滴をこの中に閉じ込めることにより，管路
    の断面より大きい液滴を変形した形で輸送することを特
    長とする請求項５に記載の液体微粒子ハンドリング装
    置。
  7. 【請求項７】複数に分岐した電極列を用い，いずれかの
    電極列に選択的に電圧を印加することにより，輸送され
    る液体微粒子をそれらの分岐に振り分けることを特長と
    する請求項１に記載の液体微粒子ハンドリング装置。
  8. 【請求項８】複数のガイド溝が合流する形のガイド溝を
    用い，複数の溝から来た液滴を合流点あるいはそれより
    下流側で衝突させることにより融合させ，それらの液滴
    の構成物を混合することを特長とする請求項１に記載の
    液体微粒子ハンドリング装置。
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