WO2025239355A1 - マイクロ流体デバイスにおける流体の粘度を制御するためのシステム及びマイクロ流体デバイスにおける流体の粘度を制御する方法 - Google Patents

マイクロ流体デバイスにおける流体の粘度を制御するためのシステム及びマイクロ流体デバイスにおける流体の粘度を制御する方法

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WO2025239355A1
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light beam
photorheological
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light
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アントニー ブカン
基 渡辺
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Keio University
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    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/12—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electromagnetic waves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B1/00—Devices without movable or flexible elements, e.g. microcapillary devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N37/00—Details not covered by any other group of this subclass

Definitions

  • the present disclosure relates to a system for controlling viscosity flow in a microfluidic device and a method for controlling the viscosity of a fluid in a microfluidic device.
  • microfluidic devices minute amounts of fluid can be pumped through microfluidic channels to perform tasks such as mixing samples and reagents, sorting particles, and culturing and observing cells. Guiding and/or controlling the flow within a microfluidic device is important for the performance of analyses and measurements using the microfluidic device, and the primary method for guiding and/or controlling the flow within a microfluidic device is to change the surface properties of the channel between hydrophobic and hydrophilic.
  • Patent Document 1 controls fluid flow in a microfluidic network by generating compressive and extensible fluid displacements using fluid actuators asymmetrically incorporated within the microfluidic channel.
  • the fluid actuators must be incorporated into the main body of the microfluidic channel.
  • One of the problems that this disclosure aims to solve is to provide a system and method for controlling the viscosity of fluid in a microfluidic device by irradiating it with light.
  • a system for controlling viscosity of a fluid in a microfluidic device comprising: a microfluidic device having a microfluidic containment portion for containing a fluid; a photorheological fluid contained in the microfluidic container; and a first light source for irradiating the photorheological fluid with a first light beam; a second light source for irradiating the photorheological fluid with a second light beam having a wavelength different from that of the first light beam;
  • the system is configured such that the first light source irradiates the photorheological fluid in the microfluidic containment with the first light beam, and the second light source irradiates a portion of the photorheological fluid in the area irradiated with the first light beam with a second light beam.
  • Item 2. The system according to item 1, wherein the photorheological fluid contains a photoreactive compound.
  • the microfluidic container comprises a microfluidic channel having an inlet and an outlet; the first light source irradiates the photorheological fluid flowing through the microfluidic channel with the first light beam;
  • Item 1. The system described in Item 1, wherein the second light source irradiates a portion of the photorheological fluid irradiated with the first light beam with a second light beam along a path from at least one of the inlets to at least one of the outlets, thereby causing the photorheological fluid irradiated with the second light beam to move from the inlet toward at least one of the outlets.
  • the second light source is (i) a second light source that projects a second light beam along a path from at least one of the inlets to a first location within the microfluidic channel; (ii) a second light source that projects a second beam of light along a path from a second location within the microfluidic channel to at least one of the outlets; (iii) one or more second light sources that emit a second light beam along a path from the first position to the second position when the first position and the second position are different, and when the first position and the second position are the same, the second light source of (iii) is not present; Item 4.
  • Item 5. Item 1. The system of item 1, wherein the photorheological fluid further contains particles whose Brownian motion is suppressed or stopped in the photorheological fluid irradiated with the first light beam and which can drift due to Brownian motion in the photorheological fluid irradiated with the second light beam.
  • the combination of the first light source and the second light source is Is it an ultraviolet light source for irradiating ultraviolet rays and a visible light source for irradiating visible light? Item 2.
  • the visible light source is one that irradiates visible light having a first wavelength and another that irradiates visible light having a second wavelength different from the first wavelength, or the system is one that irradiates ultraviolet light having a first wavelength and another that irradiates ultraviolet light having a second wavelength different from the first wavelength.
  • Section 7. Item 10. The system of item 1, further comprising a member disposed between the microfluidic device and the second light source for selectively transmitting or converging the second light beam. Section 8. 1.
  • a method for controlling viscosity of a fluid in a microfluidic device comprising a microfluidic containment portion for containing a fluid
  • the method comprising: irradiating the photorheological fluid in the microfluidic container with a first light beam from a first light source;
  • a step of applying a second light beam having a wavelength different from that of the first light beam, to a portion of the photorheological fluid in the area where the first light beam is applied, by a second light source, so that the viscosity of the portion of the photorheological fluid irradiated with the second light beam changes relative to the viscosity of the portion of the photorheological fluid not irradiated with the second light beam;
  • a method comprising: Item 9.
  • the microfluidic container comprises a microfluidic channel having an inlet and an outlet; 10.
  • the step of irradiating with the second light beam includes irradiating with the second light beam a portion of the photorheological fluid flowing through the microfluidic channel along a path from at least one of the inlets to at least one of the outlets, thereby causing the photorheological fluid irradiated with the second light beam to move from at least one of the inlets toward at least one of the outlets.
  • the step of irradiating the second light beam includes irradiating the second light beam from a second light source, (i) irradiating a second light beam along a path from at least one of the inlets to a first location within the microfluidic channel; (ii) directing a second light beam along a path from a second location within the microfluidic channel to at least one of the outlets; (iii) if the first position and the second position are different, irradiating a second light beam along a path from the first position to the second position; and when the first position and the second position are the same, the second light source (iii) does not exist, and the irradiation direction of the second light beam (i) and the irradiation direction of the second light beam (ii) are different.
  • Item 12 The method according to Item 8, wherein the photorheological fluid further comprises particles whose Brownian motion is suppressed or stopped in the photorheological fluid irradiated with a first light beam and which can drift by Brownian motion in the photorheological fluid irradiated with a second light beam, and in the step of irradiating with a second light beam, the particles in the photorheological fluid irradiated with the second light beam can drift by Brownian motion, and the Brownian motion of the particles in the photorheological fluid not irradiated with the second light beam is suppressed or stopped.
  • Item 13 The method according to Item 8, wherein the photorheological fluid further comprises particles whose Brownian motion is suppressed or stopped in the photorheological fluid irradiated with a first light beam and which can drift by Brownian motion in the photorheological fluid irradiated with a second light beam, and in the step of irradiating with a second light beam
  • the combination of the first light source and the second light source is Is it an ultraviolet light source for irradiating ultraviolet rays and a visible light source for irradiating visible light?
  • Item 9 The method according to Item 8, wherein the visible light source is one that irradiates visible light having a first wavelength and one that irradiates visible light having a second wavelength different from the first wavelength, or the ultraviolet light source is one that irradiates ultraviolet light having a first wavelength and one that irradiates ultraviolet light having a second wavelength different from the first wavelength. Section 14. Item 9.
  • step of irradiating the second light beam includes irradiating the second light beam through a member that selectively transmits or focuses the second light beam and is disposed between the microfluidic device and the second light source.
  • a method of operating a computer to simulate the flow of a photorheological fluid in a microfluidic device having a microfluidic channel comprising: creating a region of the microfluidic channel filled with a photorheological fluid, wherein the entire microfluidic channel is illuminated by a first light beam; creating an area of the microfluidic containment filled with the photorheological fluid, wherein a portion of the microfluidic containment is illuminated by a second light beam; and simulating flow of the photorheological fluid by controlling the intensity of the first light beam and/or the second light beam.
  • the viscosity of the photorheological fluid is a two-variable function of shear rate and the ratio of the first light beam to the second light beam, and the flow of the photorheological fluid is simulated by controlling the intensity of the first light beam and/or the second light beam.
  • FIG. 2 Schematic of one embodiment of a microfluidic device.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the microfluidic device of FIG. 1.
  • FIG. 1 Schematic diagram of an example of a photorheological (PR) fluid. Adapted from Hyuntaek et al., Soft Matter, 2013, 9, 5025.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of one embodiment of a system for controlling fluid flow in a microfluidic device.
  • Schematic diagram of another embodiment of a microfluidic device (Left) Prior art example; (Right) Photorheological fluid irradiated with a first light beam, suppressing or halting Brownian motion of particles.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of another embodiment of a system for three-dimensional control of fluid flow in a microfluidic device.
  • Figure 1 is a schematic diagram of one embodiment of a microfluidic device
  • Figure 2 is an exploded perspective view of the system of Figure 1.
  • a microfluidic device refers to a device that can contain or move small amounts of fluid through narrow passages with widths of 1 ⁇ m or more and less than 100 ⁇ m.
  • the amount of fluid contained in a microfluidic device is, for example, but not limited to, 1 ⁇ m to 1000 ⁇ m.
  • the microfluidic device 1 includes a flow path section 10, a packing 20, a lid 30, a connector 40, and a tube 50.
  • the flow path section 10 comprises a flow path main body 11, within which a bottomed flow path 15 is provided.
  • the flow path main body 11 comprises an annular wall 11a that is generally rectangular in plan view of the flow path main body 11 and defines the periphery of the flow path 15, an annular outer wall 11b that is generally rectangular in plan view and surrounds the flow path 15 and its surrounding wall 11a, and a protrusion 11c that extends continuously from the outer wall 11b.
  • a generally linear introduction passage 11d is provided in the protrusion 11c.
  • Hole 12 (four holes in the drawing) is provided at the corners of wall 11a.
  • An inlet 13 and an outlet 14 are formed through each wall 11a of channel body 11.
  • Channel section 10, and in particular the inlet 13, outlet 14, and channel 15 that constitute it, form a microfluid channel.
  • Channel section 10, and in particular the channel 15 that constitutes it, act as a microfluid storage section for storing fluid.
  • the packing 20 has a ring-shaped plate-like main body 21 that is roughly rectangular in plan view, and holes 22 that penetrate the main body 21 are provided at the four corners of the main body 21.
  • the lid 30 has a ring-shaped main body 31 that is roughly rectangular in plan view, and holes 32 that penetrate the main body 31 are provided at the four corners of the main body 31.
  • the connector 40 connects the tube 50 and the flow path section 10 so that fluid flowing into the tube 50 flows into the flow path section 10.
  • the protrusion 11c of the flow path main body 11 is fitted into the connection end 41 on the tip side of the connector 40, and the tip of the tube 50 is connected to the connector 40 from the base end 42 side of the connector 40.
  • the protrusion 11c of the flow path main body 11 is fitted into the connection end 41 on the tip side of the connector 40, the surface in contact with the protrusion 11c of the flow path main body 11 and the protrusion 11c at the connection end 41 on the tip side of the connector 40 forms a substantially linear fluid introduction path extending to the inlet 13.
  • a hole 16 is formed in each protrusion 11c, and a screw 80 is threaded into each hole 16.
  • the flow path section 10, packing 20, and lid 30 are stacked in this order, and the lid 30 is covered with a roughly rectangular cover 60 (holes that penetrate the cover 60 are also provided at the four corners of the cover 60). Screws 70 are then passed through holes 12, 22, and 32 and holes in the cover 60 to firmly connect the flow path section 10, packing 20, and lid 30.
  • the flow path portion 10, packing 20, lid 30, and cover 60 may be made of any material, such as synthetic resin, rubber, or metal. It is preferable that the lid 30 and cover 60 are optically transparent.
  • the fluid flowing into the tube 50 passes through the connector 40, flows into the flow path section 10, enters the flow path 15 from the inlet 13 of the flow path section 10, and exits from the outlet 14.
  • the fluid flowing through the microfluidic device 1 includes a photorheology fluid (PRF).
  • a photorheology fluid refers to a fluid whose viscosity changes depending on the wavelength of the light irradiated onto it.
  • the photorheological fluid preferably contains a photoreactive compound.
  • a photoreactive compound refers to a compound that has a photoreactive group and undergoes a structural change upon irradiation with light.
  • photoreactive groups include, but are not limited to, groups derived from at least one species selected from the group consisting of coumarin derivatives, styrylpyridine derivatives, azobenzene derivatives, cinnamic acid derivatives, chalcone derivatives, stilbene or its derivatives, ⁇ -hydrazono- ⁇ -ketoesters, benzylidenephthalimidine, retinoic acid derivatives, spiropyrans, spirooxazines, propenimines or their derivatives, anthracene derivatives, and benzophenone derivatives.
  • the term "derivative” refers to a derivative that retains the carbon skeleton of the original compound (including heteroatoms, if any, in the carbon skeleton).
  • the photoreactive compound includes a photoisomerizable compound that undergoes isomerization upon irradiation with light.
  • the photoisomerizable compound Upon light irradiation, the photoisomerizable compound is isomerizes from a trans isomer (E) to a cis isomer (Z), or vice versa, resulting in a change in structure and viscosity (e.g., induction of fluidity or non-fluidity).
  • a trans isomer E
  • Z cis isomer
  • Preferred photoisomerizable compounds include, but are not limited to, azobenzene derivatives, cinnamic acid derivatives, spiropyrans, and propyne imines.
  • photoisomerizable compounds include, but are not limited to, azobenzene-4-carboxylic acid (ACA), azobenzeneimidazolium (AzoIm), trans-ortho-methoxycinnamic acid (OMCA), or salts thereof, or derivatives thereof.
  • ACA azobenzene-4-carboxylic acid
  • AzoIm azobenzeneimidazolium
  • OMCA trans-ortho-methoxycinnamic acid
  • One type of photoreactive compound may be used alone, or two or more types may be used in combination.
  • the photorheological fluid contains a photoreactive compound and a surfactant.
  • the photoreactive compound forms self-assemblies (e.g., micelles in aqueous surfactant). See, for example, Soft Matter, 2013, 9, 5025; J. AM. CHEM. SOC. 9 VOL. 129, NO. 6, 2007; Cho_2016_Smart_Mater._Struct._25_025022; Sensors 2019, 19, 1128; Journal of Colloid and Interface Science 594(2021)669-680.
  • Photoreactive compounds are as described above.
  • the surfactant may be a cationic surfactant, anionic surfactant, amphoteric surfactant, or nonionic surfactant.
  • cationic surfactants include quaternary ammonium salts (e.g., monoalkylammonium salts such as cetyltrimethylammonium bromide (CTAB)) and ethylene oxide-added alkylammonium salts (e.g., oleylmethylbis(2-hydroxyethyl)ammonium chloride).
  • anionic surfactants include sodium salicylate (NaSal) and sodium deoxycholate.
  • amphoteric surfactants include betaine-type amphoteric surfactants such as erucyldimethylamidopropyl betaine (EDAB), lecithin, etc.
  • nonionic surfactants include ethylene oxide-type nonionic surfactants such as polyethylene glycol (PEG).
  • Surfactants may be used alone or in combination of two or more.
  • Preferred combinations of photoreactive compounds and surfactants include azobenzene-4-carboxylic acid (ACA) and diPOE(2)oleylmethylammonium chloride (EHAC), trans-ortho-methoxycinnamic acid (OMCA) and cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), and spiropyran and sodium deoxycholate and/or lecithin.
  • ACA azobenzene-4-carboxylic acid
  • EHAC diPOE(2)oleylmethylammonium chloride
  • OMCA trans-ortho-methoxycinnamic acid
  • CTAB cetyltrimethylammonium bromide
  • spiropyran sodium deoxycholate and/or lecithin.
  • the photorheological fluid contains a photoreactive compound and a compound that undergoes a host-guest complex formation reaction with the photoreactive compound.
  • Photoreactive compounds are as described above.
  • Compounds that undergo host-guest complex formation reactions with photoreactive compounds include, but are not limited to, combinations of naphthyl-functionalized hydroxyethyl cellulose, viologen-containing polymers (e.g., methyl viologen-containing styrene copolymers (PSTMV)), and cucurbituril (CB[8]).
  • viologen-containing polymers e.g., methyl viologen-containing styrene copolymers (PSTMV)
  • PTMV methyl viologen-containing styrene copolymers
  • CB[8] cucurbituril
  • Examples of compounds that undergo a host-guest complex formation reaction with the photoreactive compound include, but are not limited to, a combination of naphthyl-functionalized hydroxyethyl cellulose, a viologen-containing polymer (e.g., methyl viologen-containing styrene copolymer (PSTMV)), and cucurbituril (CB[8]).
  • a viologen-containing polymer e.g., methyl viologen-containing styrene copolymer (PSTMV)
  • PSTMV methyl viologen-containing styrene copolymer
  • CB[8] cucurbituril
  • Preferred combinations of photoreactive compounds and compounds that undergo host-guest complex formation reactions with the photoreactive compounds include, but are not limited to, combinations of ((phenylazo)benzyl)imidazolium with naphthyl-functionalized hydroxyethyl cellulose, viologen-containing polymers (e.g., methyl viologen-containing styrene copolymers (PSTMV)), and cucurbituril (CB[8]).
  • viologen-containing polymers e.g., methyl viologen-containing styrene copolymers (PSTMV)
  • CB[8] cucurbituril
  • the photorheological fluid may further contain a solvent.
  • solvents include aqueous organic solvents, or combinations thereof.
  • Organic solvents include, but are not limited to, alcohols, glycols, esters, etc.
  • the photorheological fluid may contain one or more additives.
  • additives include sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide, and an equimolar mixture of sodium carbonate and sodium bicarbonate.
  • the photorheological fluid may further contain particles whose Brownian motion is suppressed or stopped in the photorheological fluid irradiated with the first light beam, but which can drift due to Brownian motion in the photorheological fluid irradiated with the second light beam.
  • Particles that can drift due to Brownian motion in the photorheological fluid irradiated with the second light beam drift freely in the photorheological fluid and can be manipulated with optical tweezers.
  • Optical tweezers refer to a device or technology that irradiates a microscopic object (in this application, a particle) with focused laser light, thereby capturing and further moving the microscopic object using the light radiation pressure generated when the object is irradiated.
  • the first light beam and the second light beam will be explained in more detail below.
  • a photorheological fluid can be obtained by mixing a photoreactive compound with optional other additives.
  • the photorheological fluid contains a photoreactive compound and a surfactant, and the photoreactive compound is an acid, it may be salified with a metal salt (such as an alkali metal salt or an alkaline earth metal salt) before mixing with the surfactant.
  • a metal salt such as an alkali metal salt or an alkaline earth metal salt
  • the components can be mixed using a known mixing or stirring device such as a mixer. Mixing may also be performed under heating.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of an example photorheological fluid (PRF) containing EHAC as a surfactant and ACA as a photoreactive compound.
  • PRF photorheological fluid
  • ACA is a cis-trans isomer, and when irradiated with UV light, it changes to the cis isomer, and when irradiated with visible light, it changes to the trans isomer.
  • the principle behind the change in viscosity due to light irradiation is explained in Hyuntaek et al., Soft Matter, 2013, 9, 5025. Specifically, as shown in Figure 3, when PRF is irradiated with visible light, the ACA is in the trans form and combines with EHAC (in this case, POE(2) oleylmethylammonium) to form individual unilamellar vesicles.
  • EHAC in this case, POE(2) oleylmethylammonium
  • the trans ACA When irradiated with UV light, the trans ACA is photoisomerized to cis ACA, and entangled, worm-like micelles are formed. These micelles produce a much higher viscosity in the fluid compared to unilamellar vesicles.
  • the cis ACA When irradiated with visible light again, the cis ACA is isomerized back to trans ACA, and the structure and rheology return to their initial state. That is, the viscosity of the fluid decreases again. This change in isomers and the change in fluid viscosity are reversible.
  • azobenzene derivatives can be used as photoreactive compounds.
  • a photorheological fluid contains AZOB-C6
  • the trans isomer of AZOB-C6 forms hollow tubes with ellipsoidal cross-sections (worm-like micelles, WLMs), and photorheological fluids containing trans-AZOB-C6 have non-Newtonian properties.
  • the cis isomer of AZOB-C6 (cis-AZOB-C6) forms ellipsoidal micelles, and photorheological fluids containing cis-AZOB-C6 have lower viscosity than photorheological fluids containing trans-AZOB-C6 and, at low concentrations, have Newtonian properties similar to those of water (Journal of Colloid and Interface Science 594 (2021) 669-680). Irradiating a photorheological fluid with ultraviolet light from a UV light source converts the trans isomer to the cis isomer, resulting in a fluid with a lower viscosity than when irradiated with visible light.
  • the viscosity of the portion of the photorheological fluid irradiated with ultraviolet light can be reduced relative to the viscosity of the photorheological fluid before ultraviolet light irradiation and the viscosity of the portion of the photorheological fluid irradiated with visible light.
  • the viscosity and/or flow of a photorheological fluid can be controlled simply by changing the light being irradiated. For example, by changing the viscosity of only a portion of the PRF, it is possible to control the flow, such that the fluid moves in relatively low-viscosity areas and stagnates in high-viscosity areas. Therefore, this fluid property can be used to control the viscosity, or flow direction or pattern, of the fluid in a microfluidic device.
  • FIG 4 is a schematic diagram of one embodiment of a system for controlling the viscosity of a fluid in a microfluidic device.
  • the microfluidic device 1 has been described with reference to Figure 1.
  • the system 100 includes the microfluidic device 1, a photorheological fluid flowing through a microfluidic channel, a first light source 2 for irradiating the photorheological fluid with a first light beam, a second light source 3 for irradiating the photorheological fluid with a second light beam having a wavelength different from that of the first light beam, and a light-shielding member 4 disposed between the second light source 3 and the microfluidic device 1.
  • the first light source 2, the second light source 3, and the light-shielding member 4 are disposed outside the microfluidic device 1.
  • the first light source 2 is an ultraviolet light source for irradiating the photorheological fluid with ultraviolet light
  • the second light source 3 is a visible light source for irradiating the photorheological fluid with visible light.
  • the light-shielding member 4 has a portion that blocks visible light from the visible light source 3 and a portion that transmits the visible light.
  • the viscosity of the photorheological fluid portion after irradiation can be changed compared to the viscosity of the photorheological fluid before irradiation.
  • the viscosity of the photorheological fluid irradiated with the second light beam from the second light source 3 is lower than the viscosity of the photorheological fluid irradiated with the first light beam from the first light source 2, in order to form a flow path (which can also be called a virtual passage) using the photorheological fluid irradiated with the second light beam from the second light source 3 within the photorheological fluid irradiated with the first light beam.
  • the photorheological fluid is a fluid containing ACA and EHAC
  • the viscosity of the part of the photorheological fluid irradiated with ultraviolet light can be increased compared to the viscosity of the photorheological fluid before ultraviolet light irradiation or the viscosity of the part of the photorheological fluid that is not irradiated with ultraviolet light.
  • the viscosity of the part of the photorheological fluid irradiated with visible light can be reduced compared to the viscosity of the photorheological fluid before visible light irradiation or the viscosity of the part of the photorheological fluid that is not irradiated with visible light (or irradiated with ultraviolet light).
  • the photorheological fluid contains an azobenzene derivative (particularly AZOB-C6)
  • the viscosity of the portion of the photorheological fluid irradiated with ultraviolet light can be reduced compared to the viscosity of the photorheological fluid before ultraviolet light irradiation or the viscosity of the portion of the photorheological fluid that is not irradiated with ultraviolet light.
  • the viscosity of the portion of the photorheological fluid irradiated with ultraviolet light can be reduced compared to the viscosity of the photorheological fluid before ultraviolet light irradiation or the viscosity of the portion of the photorheological fluid that is not irradiated with ultraviolet light (or irradiated with visible light).
  • the first light source 2 and the second light source 3 are disposed above the microfluidic device 1, at positions where the irradiation of the first light beam from the first light source 2 onto the microfluidic device 1 and the irradiation of the second light beam from the second light source 3 onto the microfluidic device 1 do not interfere with each other.
  • the light-shielding member 4 is, for example, a photomask (see FIG. 13 ), which is used to cover the microfluidic flow path in order to block the second light beam from reaching the microfluidic flow path (except for the portion through which the second light beam passes).
  • the photomask is preferably a photomask having a portion that blocks the second light beam and a portion that transmits the second light beam.
  • the portion that transmits the second light beam is, for example, linear (straight, curved, dotted, etc.).
  • the first light source 2 is an ultraviolet light source
  • the second light source 3 is a visible light source.
  • the first light source 2 is a visible light source
  • the second light source 3 is an ultraviolet light source.
  • the portion of the photomask that transmits the second light beam By making the portion of the photomask that transmits the second light beam linear, it is possible to irradiate a portion of the photorheological fluid flowing through the microfluidic channel with the second light beam from the second light source 3 in a linear pattern.
  • the portion of the photorheological fluid irradiated with the second light beam moves along the direction of the extension of the area irradiated with the second light beam.
  • By irradiating the second light beam from the second light source 3 in a linear pattern it is possible to change the flow of the linear portion of the fluid irradiated with the second light beam that flows through the microfluidic channel. In this way, it is possible to cause the portion of the photorheological fluid irradiated with the second light beam to flow as if through a virtual passageway, without providing any partitions or piping within the microfluidic channel (more specifically, channel 15).
  • the second light source 3 irradiates a portion of the photorheological fluid flowing through the microfluidic channel that is irradiated with a first light beam from the first light source 2 with a linear pattern of second light, thereby changing the linear flow of the portion of the fluid that is irradiated with the second light beam within the portion of the fluid that is not irradiated with the second light beam but is irradiated with the first light beam.
  • a first light source 2 irradiates the photorheological fluid flowing through the microfluidic channel with the first light beam
  • a second light source 3 irradiates the portion of the photorheological fluid irradiated with the first light beam 2 with a second light beam along a path from at least one of the inlets 13 to at least one of the outlets 14.
  • a system for controlling fluid flow in a microfluidic device irradiates part or all of a photorheological fluid flowing through a microfluidic channel with ultraviolet light, and then irradiates the part of the photorheological fluid flowing through the microfluidic channel that has been irradiated with ultraviolet light with visible light from a visible light source along a path from the inlet 13 to at least one of the outlets 14.
  • the flow of the part of the photorheological fluid irradiated with visible light changes relative to the flow of the part of the photorheological fluid irradiated with ultraviolet light but not with visible light, and the viscosity and flow velocity of the part of the photorheological fluid irradiated with visible light become higher than the viscosity and flow velocity of the part of the photorheological fluid irradiated with ultraviolet light but not with visible light.
  • the part of the photorheological fluid irradiated with visible light moves along the direction of the area irradiated with visible light. Therefore, even without providing partitions or piping within the microfluidic channel, it is possible to generate a flow of the part of the photorheological fluid irradiated with visible light as if it were flowing through a specific passage.
  • the method includes the steps of irradiating a photorheological fluid in a microfluidic storage portion with a first light beam, and, during the first light beam irradiation step, irradiating a portion of the photorheological fluid in the area irradiated with the first light beam with a second light beam having a wavelength different from that of the first light beam, so that the viscosity of the portion of the photorheological fluid irradiated with the second light beam changes relative to the viscosity of the portion of the photorheological fluid irradiated with the first light beam but not with the second light beam.
  • the viscosity of the photorheological fluid irradiated with the second light beam is lower than the viscosity of the photorheological fluid irradiated with the first light beam, in order to form a flow path (which can also be called a virtual passage) through the photorheological fluid irradiated with the second light beam within the photorheological fluid irradiated with the first light beam.
  • the method for controlling the viscosity of a fluid in the microfluidic device 1 is a method for controlling the flow of a fluid in the microfluidic device 1.
  • the method includes the steps of flowing a photorheological fluid through a microfluidic flow path from an inlet 13 to an outlet 14, irradiating the photorheological fluid flowing through the microfluidic flow path with a first light beam, and, during the step of irradiating with the first light beam, irradiating a portion of the photorheological fluid in the area irradiated with the first light beam with a second light beam having a wavelength different from that of the first light beam, so that the flow of the portion of the photorheological fluid irradiated with the second light beam changes relative to the flow of the portion of the photorheological fluid irradiated with the first light beam but not with the second light beam.
  • the portion of the photorheological fluid irradiated with the second light beam can be made to flow as if through a virtual passage, without the need for partitions or piping within the microfluidic channel (more specifically, channel 15).
  • the photorheological fluid flows through a microfluidic channel serving as a microfluidic container, and the portion of the photorheological fluid irradiated with the second light beam moves along the direction of extension of the area irradiated by the second light beam.
  • Photorheological fluids are as described above.
  • the step of irradiating with a second light beam includes irradiating a portion of the photorheological fluid flowing through the microfluidic channel with the second light beam along a path from at least one of the inlets 13 to at least one of the outlets 14, thereby causing the photorheological fluid irradiated with the second light beam to move from at least one of the inlets toward at least one of the outlets.
  • the combination of the first light source and the second light source is ultraviolet light and visible light.
  • the first light beam is ultraviolet light and the second light beam is visible light.
  • the first light beam is visible light and the second light beam is ultraviolet light.
  • the combination of the first light source and the second light source is a visible light source that emits visible light having a first wavelength and a visible light source that emits visible light having a second wavelength different from the first wavelength.
  • the first light source is a visible light source that emits visible light having a first wavelength
  • the second light source is a visible light source that emits visible light having a second wavelength shorter than the first wavelength.
  • the first light source is a visible light source that emits visible light having a first wavelength
  • the second light source is a visible light source that emits visible light having a second wavelength longer than the first wavelength.
  • the combination of the first light source and the second light source is an ultraviolet light source that irradiates ultraviolet light having a first wavelength and an ultraviolet light source that irradiates ultraviolet light having a second wavelength different from the first wavelength.
  • the first light source is an ultraviolet light source that irradiates ultraviolet light having a first wavelength
  • the second light source is an ultraviolet light source that irradiates ultraviolet light having a second wavelength that is shorter than the first wavelength.
  • the first light source is an ultraviolet light source that irradiates ultraviolet light having a first wavelength
  • the second light source is an ultraviolet light source that irradiates ultraviolet light having a second wavelength that is longer than the first wavelength.
  • the step of irradiating the second light beam includes irradiating a portion of the photorheological fluid flowing through the microfluidic channel with the second light beam while the microfluidic channel is covered with a member that selectively transmits or focuses the second light beam.
  • members that selectively transmit or focus the second light beam include, but are not limited to, the shielding member 4 described above.
  • each of the four walls that define the flow path 15 has one inlet 13 and one outlet 14, but the number of inlets and outlets is not limited to this, and there may be one or more inlets leading to the flow path 15, and there may also be one or more outlets.
  • the photorheological fluid contains ACA
  • ACA converts to a cis isomer when irradiated with ultraviolet light, increasing its viscosity, and converts to a trans isomer when irradiated with visible light, decreasing its viscosity. Therefore, it is preferable to use an ultraviolet light source as the first light source 2 and a visible light source as the second light source 3, and to generate a flow of photorheological fluid irradiated with a visible light source in the microfluidic channel, while generating a flow of photorheological fluid irradiated with an ultraviolet light source in the microfluidic channel.
  • the combination of the first light source 2 and the second light source 3 can be appropriately selected by those skilled in the art depending on the isomerization properties of the photoreactive compound.
  • the first light source 2 may be a visible light source and the second light source 3 may be an ultraviolet light source.
  • both the first light source 2 and the second light source 3 may be visible light sources, with one visible light source irradiating visible light having a first wavelength and the other visible light source irradiating visible light having a second wavelength different from the first wavelength.
  • the first light source 2 and the second light source 3 may both be ultraviolet light sources, with one ultraviolet light source emitting ultraviolet light having a first wavelength and the other ultraviolet light source emitting ultraviolet light having a second wavelength different from the first wavelength.
  • a laser scanning system may be used for the first light source 2, the second light source 3, or both.
  • the member that selectively transmits or converges the second light rays is not limited to the shielding member 4 that blocks visible light, but may also be a lens that focuses visible light. Examples of lenses include a microlens array. Also, a dot matrix LCD or digital mirror array that masks ultraviolet light may be used.
  • the microfluidic device shown in Figures 1 and 2 has a microfluidic channel with an inlet 13 and an outlet 14, but the microfluidic device may also be a microfluidic device without an inlet or outlet.
  • Figure 5 shows an example in which the microfluidic device's microfluidic container 17, which contains a fluid, does not have an inlet or outlet.
  • the left figure shows a state in which the photorheological fluid is not irradiated with anything, and the viscosity of the photorheological fluid is relatively low.
  • the photorheological fluid when the photorheological fluid is first irradiated with a first light beam (e.g., ultraviolet light) from a first light source (e.g., ultraviolet light source), the viscosity of the photorheological fluid in the microfluidic container 17 becomes relatively high.
  • a first light beam e.g., ultraviolet light
  • the first light beam e.g., ultraviolet light
  • a second visible light beam visible light
  • a second light source e.g., visible light source
  • particles P2, P3, and P4 are able to drift freely within the fluid due to Brownian motion.
  • the photorheological fluid becomes highly viscous, significantly reducing the Brownian motion of the particles and suppressing or stopping the Brownian motion of particles P2, P3, and P4.
  • Due to the effect of the optical trap trapped particle P2 has little or no movement, but when a second light beam is applied to the region of the photorheological fluid containing particle P1, particle P1 is able to move towards particle P2.
  • the microfluidic channel of a microfluidic device may be not only a two-dimensional channel with an inlet and outlet on the side wall, but also a three-dimensional channel with an inlet and/or outlet on at least one of the top and bottom walls.
  • Figure 6 is a schematic diagram illustrating the setup of three-dimensional control of a microfluidic channel. Photorheological fluid enters the microfluidic channel 18 from the left inlet I1.
  • the photorheological fluid in the microfluidic channel 18 is irradiated with a first light beam (e.g., ultraviolet light) from a first light source (e.g., ultraviolet light source) to turn it into a high-viscosity fluid, and then a second visible light beam (visible light) from a second light source is irradiated onto the photorheological fluid using two cylindrical lenses 19a,b, creating a continuous path for the low-viscosity fluid from the inlet I1 to the outlet O3.
  • the direction of the second light beam emitted from the second light source through cylindrical lens 19a is different from the direction of the second light beam emitted from the second light source through cylindrical lens 19b.
  • the two second light beams are irradiated perpendicular to each other, and the second light beams are irradiated onto the photorheological fluid in an L-shaped pattern (assuming that the microfluidic device and microfluidic channel are arranged horizontally, the second light beams are irradiated in both the vertical and horizontal directions).
  • the position of the outlet can be changed or selected to a different position (e.g., outlet O1 or outlet O2) by moving right-side lens 19b or changing its curvature.
  • at least one of the inlets, inlet I1, and outlets O1, O2, and O3, are located on mutually perpendicular surfaces of microfluidic channel 18.
  • the positions of the inlets and outlets may be arranged at 45 degrees on the side of the prism, randomly around the sphere, or in any other possible configuration. There is no particular limitation as long as they are arranged at different positions.
  • the second light source is (i) a second light source that projects a second light beam along a path from at least one of the inlets to a first location within the microfluidic channel; (ii) a second light source that projects a second beam of light along a path from a second location within the microfluidic channel to at least one of the outlets;
  • the scope of the present invention also includes a system including (iii) one or more second light sources that emit a second light beam along a path from the first location to the second location when the first location and the second location are different, and (iii) no second light source is present when the first location and the second location are the same.
  • the direction of emission of the second light beam in (i) is different from the direction of emission of the second light beam in (ii).
  • at least one of the inlets and at least one of the outlets are in non-coplanar positions within a series of planes that form the microfluidic cavity. Non-coplanar positions refer to different planes that form different angles, for example.
  • PRF Photorheological Fluid
  • PRF was prepared using the following procedure. First, water was heated to 45°C on a hot plate, and 3.0 mM/L of azobenzene-4-carboxylic acid (ACA) was added. Next, 3.3 mM/L of NaOH was added to salify the ACA and make it soluble. 3.4 mM/L of Liposocard O/12 (diPOE(2)oleylmethylammonium) was then added. The mixture was kept at 45°C and stirred at 300 rpm for 30 minutes using a mixer. The hot plate was then turned off, and the mixture was stirred at 600 rpm for two minutes, and finally, stirred at 200 rpm for one day.
  • ACA azobenzene-4-carboxylic acid
  • the density and viscosity of the resulting PRF were measured. 1.04 ml of PRF was taken with a micropipette and weighed on an electronic balance, yielding a mass of 0.98 g. The density of the PRF was calculated to be 942 kg/ m3 .
  • the viscosity was measured using a rheometer (HR 10, TA instruments, Inc.) under the conditions shown in Table 1.
  • the optical system shown in Figure 7 was used to measure the change in viscosity due to irradiated light.
  • visible light is emitted from a visible light source (SOLIS-445C, Thorlabs, Inc.) as the first light source 2 and passes through a dichroic mirror 5 (DMPL425, Thorlabs, Inc.). Because dichroic mirror 5 transmits visible light, the light travels directly to the spherical condenser lens. The light is focused by this lens and reflected upward by a plane mirror 6 ( ⁇ 75mm UV enhanced aluminum coated ⁇ /10 Mirror, 84-425, Edmund Optics, Inc.).
  • the ultraviolet light emitted from the ultraviolet light source (SOLIS-365C, Thorlabs, Inc.) serving as the second light source 3 is reflected by the dichroic mirror 5 because the dichroic mirror 5 does not transmit ultraviolet light.
  • the light is then focused by the condenser lens and reflected upward by the plane mirror 6. This allows both ultraviolet and visible light to be irradiated onto the PRF 7 from the same position and angle.
  • viscosity measurements were performed five times for water, PRF under visible light irradiation, PRF under UV light irradiation, and PRF under both light irradiation, and average values were calculated. Table 2 shows the measurement results.
  • Example 2 CFD Simulation of Flow in a Channel
  • the microfluidic device using the previously manufactured PRF was reproduced on CFD software, and flow control due to viscosity changes was simulated.
  • the Caro fluid model is one of the equations that express the relationship between the viscosity and shear rate of non-Newtonian fluids, and is expressed by the following equation (1).
  • the viscosity of the measured PRF is fitted using this equation.
  • curve_fit from the Python module scipy.optimize was used, and only data with a shear rate of 1/s or higher was used. This is to prevent a decrease in accuracy due to the inappropriate behavior of viscosity at low shear rates being included in the fitting.
  • the ranges 0 ⁇ ⁇ ⁇ 2 and 0 ⁇ n ⁇ 1 are generally met, so the fitting in this example was also performed within these ranges.
  • Table 3 shows the various parameters obtained by fitting. The fitting curve constructed from Table 3 does not deviate significantly from the actual data, and it was determined that the fit was satisfactory. Therefore, these parameters are used in all of the CFD simulations described below.
  • Microfluidic channels using PRF are considered to be of sufficient practical value at minute scales.
  • Example 3 Experiment using actual equipment A microfluidic device as shown in Figure 1 was fabricated. Grease was applied to the joints and threaded joints of each component to prevent liquid leakage. The shape of the flow channel body 11 was the same as the area used in the CFD simulation in Example 2, with the central part having the same shape.
  • This microfluidic device was fixed to an apparatus as shown in Figure 12.
  • a high-speed camera 9b HAS-EF, DITECT, Inc.
  • An ultraviolet light source SOLIS-365C, Thorlabs, Inc.
  • a visible light source SOLIS-445C, Thorlabs, Inc.
  • the blue light irradiated from the visible light source was filtered by a filter 8. The visible light was blocked by the filter and did not reach the objective lens 9a.
  • a photomask (see Figure 13) with a curved portion that transmits visible light and a portion surrounding the curved portion that blocks visible light was placed on top of the microfluidic device 1 as a light-shielding member 4, allowing only part of the flow path to be illuminated with visible light.
  • the photomask was fixed approximately 5 mm above the flow path to prevent it from interfering with the irradiation of the ultraviolet light onto the flow path.
  • the position of the filter was adjusted so that the visible light was illuminated as shown in Figure 14.
  • the intensity of the visible light was set to 0.5 W/ cm2
  • the intensity of the ultraviolet light was also set to 0.5 W/ cm2 .
  • a 5:1 mixture of PRF and tracer particles (UVPMS-BG-1.00 10-20 ⁇ m-0.1g, Cospheric, Inc.) was injected into the inlet of the microfluidic channel, and PRF was pumped through the channel using a microsyringe pump (YSP-201, YMC, Inc.). The flow rate was adjusted to achieve flow velocities of 1, 2, ... 10 mm/s. After waiting for about 10 seconds, once the flow rate was determined to be steady, video recording was initiated and the visible light source was turned on. The video was then recorded at 250 fps for approximately 4 seconds.
  • the captured footage was extracted frame by frame and analyzed using OpenPIV, an open-source PIV (Particle Image Velocimetry) library that has previously been used to visualize fluid flows.
  • Example 4 Optical System The optical system used in Examples 5, 7 and 8 below will be described.
  • An optical system as shown in Figure 16 was used.
  • LA is the optical axis.
  • two lenses 104 and an aperture 105 are installed between a light source 101 equipped with multiple ultraviolet light sources 102 and 103 and a plano-convex lens 107.
  • the aperture 105 By inserting the aperture 105 at the focal length of the first lens 104, light components not parallel to the optical axis LA are eliminated, and parallel light rays pass through region 106, allowing only parallel light rays to be incident on the plano-convex lens 107.
  • a photograph of the actual optical system is shown in Figure 17, and the way light is focused is shown in Figure 18.
  • the distribution of the light intensity collected by this optical system was measured.
  • the output of the ultraviolet light source was fixed at its maximum value of 2.83 mW/ mm2 .
  • the origin was set at the point where the light intensity peaked, as indicated by the black circle in Figure 16.
  • the x-axis was set perpendicular to the optical axis, and the y-axis was set parallel to it.
  • the measurement results are summarized in Table 6.
  • the light intensity shows symmetrical values, and it can be determined that there is symmetry with respect to the optical axis. This confirms that this optical system has almost no off-axis aberrations.
  • the light density of the ultraviolet light source was 2.83 mW/ mm2
  • the maximum value was 1.26 mW/ mm2 , which was less than half the light density. This is thought to be mainly due to the fact that the total amount of light is reduced by removing all but the parallel component of light.
  • the small values of b and d indicate that the fitting data has almost no deviation from the optical axis or distribution bias. Furthermore, as the y-coordinate value increases, the maximum value decreases, the distribution becomes wider, and the minimum value becomes slightly larger. This is because the lens focuses light at a focal point and then spreads it thinly, and the fitting results obtained are as expected.
  • the light intensity distribution was determined as a function of x. By dividing the set visible light intensity by this ultraviolet light function, the ratio of visible light to ultraviolet light can also be expressed as a function of x. This is incorporated into a CFD simulation, and the light intensity distribution can be used to simulate subtle differences in viscosity within the flow channel and the resulting changes in the flow within the channel. In the following examples, the results of this example will be used to summarize the results of viscosity measurements of PRF performed for various ratios of visible light to ultraviolet light.
  • Example 5 Effect of Light Intensity Ratio (UV/Visible Light (%)) on PRF.
  • PRF was prepared as follows: Water was heated to 50°C on a hot plate, and 4.0 mM/L ACA, 4.4 mM/L NaOH, and 4.5 mM/L Liposocard O/12 (diPOE(2)oleylmethylammonium) were added. The mixture was maintained at 50°C and mixed at 300 rpm for 30 minutes using a mixer. The hot plate was then turned off and the mixture was mixed at 600 rpm for 2 minutes, and finally at 200 rpm for 12 hours. The resulting PRF was weighed with a pipette and the mass was measured on an electronic balance. The viscosity of the PRF was calculated to be 1133 kg/ m3 .
  • the viscosity of PRF was measured using a rheometer (HR 10, TA Instruments, Inc.). The setup for irradiating PRF with light during measurement is shown in Figure 20.
  • UV Light Source 2 SOLIS-365C, Thorlabs, Inc.
  • Visible Light Source 3 SOLIS-445C, Thorlabs, Inc.
  • All viscosity measurements were performed under the conditions shown in Table 8. Additional viscosity measurements were performed under the conditions shown in Table 9, with the ratio of visible light to UV light varied.
  • the UV light was set to 1.26 mW/ mm2 . The results are shown in Figure 21.
  • Example 6 To accurately simulate the effect of light intensity on the microfluidic channel, the viscosity characteristics of PRF must be expressed as a two-variable function with the shear rate and the ratio of visible light to ultraviolet light as arguments. To do this, first, the viscosity measurement results for each light intensity ratio are fitted to the Caro fluid model of Equation (1) in Example 2, and each viscosity characteristic is expressed as a function of shear rate. It was expressed as:
  • the obtained two-dimensional viscosity function was fitted to a fourth-order polynomial function using the ratio ⁇ % of visible light to ultraviolet light as an argument, and plotted in a three-dimensional space with three axes: shear rate, ratio of visible light to ultraviolet light, and viscosity.
  • the viscosity characteristics were then expressed as a two-variable function by fitting the polynomial function based on the plot data in three-dimensional space.
  • the fitting model is shown in equation (4).
  • Example 7 CFD Simulation of Flow in a Channel
  • the viscosity characteristics of PRF were expressed as a two-variable function of shear rate and the ratio of visible light to ultraviolet light. Based on this data, the effect of light irradiation on flow control in a channel was reproduced in a simulation.
  • the software used was COMSOL Multiphysics (registered trademark), and the module used was Laminar Flow.
  • Figure 23 shows the simulation domain.
  • the black circle is set as the origin, with a length (x-axis) of 7mm, width (y-axis) of 3mm, and depth (z-axis) of 0.3mm from the origin.
  • the flow channel is filled with PRF, with the inlet being the cross section of the flow channel passing through the origin, and the outlet being set on the top surface of the flow channel with a width of 2mm, length of 1.5mm, and a fillet radius of 0.5mm.
  • the flow velocity from the inlet was set to 0.05mm/s, the force acting on the outlet to 0, and the domain boundary to have no slip, and the flow of PRF within the flow channel at a steady state was simulated.
  • the distribution of ultraviolet light intensity is constant in the x-axis direction and is small at 0.3 mm in height in the z-axis direction. Based on the measurement results, it was determined that the light distribution would not change significantly, and was expressed as a function that changes only with the y value. Therefore, for the area irradiated with ultraviolet light, a y function was set based on the results of Gaussian function fitting.
  • the function used here is a light intensity function corresponding to the distance from the lens, so it is also possible to perform flow simulations that take the distance between the lens and flow channel into account.
  • the ratio of visible light to ultraviolet light in the area irradiated with ultraviolet light can also be treated as a function of y.
  • the viscosity measurement results of PRF confirmed that when the ratio of visible light is 100% or more, the viscosity is nearly identical to that when only visible light is irradiated. Therefore, within the ultraviolet light irradiation area, the visible light ratio was set to a constant 100% in the range where the visible light ratio exceeds 100%.
  • Table 11 shows the simulation environments compared in this simulation.
  • the 0.038 mW/ mm2 and 0.126 mW/ mm2 correspond to 3% and 10% of the maximum UV light intensity at the lens focal length, respectively.
  • the 0.012 mW/ mm2 and 0.038 mW/ mm2 correspond to approximately 3% and 10% of the maximum UV light intensity at the lens focal length + 3 mm.
  • only the visible light intensity setting was changed in simulations 1 and 2 and 3 and 4. Comparing these results allows us to compare the effects of different ratios of visible light to UV light on fluid flow. Furthermore, by further comparing the effects on the flow in 1 and 2 with those in 3 and 4, we can consider the magnitude of the effect of changes in light intensity due to lens distance.
  • condition 1 which has a lower ratio of visible light, having a greater impact on the flow.
  • condition 3 there is not much difference in the width of the range of the slow flow speed region, but condition 4, with a lower ratio of visible light, has a greater impact on the flow.
  • Example 8 Experiments Using Actual Equipment Experiments using actual equipment were also conducted under similar conditions to those in Example 7.
  • the microfluidic device shown in Figure 1 was used.
  • a fluid containing a 30:1 mixture of PRF and tracer particles (UVPMS-BG-1.00 10-20 ⁇ m - 0.1 g, Cospheric, Inc.) was flowed through the microfluidic channel.
  • the flow rate was adjusted to 0.05 mm/s using a microsyringe pump (YSP-201, YMC, Inc.), and the fluid was introduced into the channel via a tube.
  • the fluid was irradiated with ultraviolet and visible light, and the behavior of the central particles along the channel height was observed. Once the flow was determined to be steady, recording began.
  • Several visible tracer particles were selected, and the particle movement was averaged over 30 frames to determine the y-coordinate and flow velocity of each particle.
  • the fitting diagram for the simulation of Example 7 (FIG. 26(A)) and the fitting diagram for the experimental results of Example 6 (FIG. 26(B)) are shown.
  • the fittings were performed using the Gaussian function of Equation (5).
  • Conditions 1 to 4 each showed the same visible light intensity and the same distance between the lens and the flow channel, and the fitting diagrams were generally consistent.
  • a slow minimum flow velocity indicates a large effect on the flow, and the effect of the flow was confirmed experimentally, allowing us to evaluate the effect of visible light and ultraviolet light irradiation intensity on the microfluidic flow.
  • Table 12 shows the coefficients obtained for each fit.
  • the coefficients a, b, c, d, and e obtained by fitting roughly represent the amplitude, deviation from the center of the channel, width of the low-flow-velocity region, asymmetry, and maximum flow velocity, respectively. Comparing the fitting diagrams, the shapes are generally consistent, and the flow rates in the high viscosity range are also similar, which shows that the experimental environment can be reproduced to some extent in the simulation, and that the simulation results are valid.

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Abstract

マイクロ流体デバイスにおける流体の流れを制御するためのシステムは、流体を収容するためのマイクロ流体収容部を備えたマイクロ流体デバイスと、マイクロ流体収容部に収容されたフォトレオロジー流体と、フォトレオロジー流体に第１の光線を照射するための第１の光源と、フォトレオロジー流体に第１の光線とは波長が異なる第２の光線を照射するための第２の光源と、を備え、第１の光源が、マイクロ流体収容部内の前記フォトレオロジー流体に、第１の光線を照射し、第２の光源が、第１の光線を照射している領域における前記フォトレオロジー流体の一部に第２の光線を照射するよう構成されている。

Description

マイクロ流体デバイスにおける流体の粘度を制御するためのシステム及びマイクロ流体デバイスにおける流体の粘度を制御する方法
　本開示は、マイクロ流体デバイスにおける粘度の流れを制御するためのシステム及びマイクロ流体デバイスにおける流体の粘度を制御する方法に関する。
　マイクロ流体デバイスでは、微量の流体をマイクロ流体流路に送液することで、サンプルと試薬の混合、粒子のソーティング、細胞の培養及び観察等をすることができる。マイクロ流体デバイス内の流れの誘導及び／又は制御は、マイクロ流体デバイスを用いた分析及び測定を実施する性能にとって重要であり、マイクロ流体デバイス内の流れを誘導及び／又は制御する場合、主に流路表面の特性を疎水性と親水性の間で変化させる手法が取られている。
　このような表面の作成には、レーザーテクスチャリング、エッチング、あるいは電気化学的プロセスなどが使用されているが、どれも時間的・コスト的負担が高く、かつ、後でフローパターンを任意に変更することは困難である。
　特許文献１は、マイクロ流体チャネル内に非対称に組み込まれた流体アクチュエーターによって圧縮性流体変位及び伸張性流体変位を生成することにより、マイクロ流体ネットワークにおける流体の流れを制御している。この場合、流体アクチュエーターをマイクロ流体チャネルの本体に組み込む必要がある。
特表2013-533102
　本開示において解決しようとする課題の一つは、光の照射によりマイクロ流体デバイスにおける流体の粘度を制御するためのシステム及び方法を提供することである。
　本開示は例えば、以下に記載の主題を包含する。
項１．
　マイクロ流体デバイスにおける流体の粘度を制御するためのシステムであって、
　流体を収容するためのマイクロ流体収容部を備えたマイクロ流体デバイスと、
　前記マイクロ流体収容部に収容されたフォトレオロジー流体と、
　前記フォトレオロジー流体に第１の光線を照射するための第１の光源と、
　前記フォトレオロジー流体に第１の光線とは波長が異なる第２の光線を照射するための第２の光源と、を備え、
　前記第１の光源が、前記マイクロ流体収容部内の前記フォトレオロジー流体に、前記第１の光線を照射し、前記第２の光源が、前記第１の光線を照射している領域における前記フォトレオロジー流体の一部に第２の光線を照射するよう構成されている、システム。
項２．
　前記フォトレオロジー流体は、光反応性化合物を含有する項１に記載のシステム。
項３．
　前記マイクロ流体収容部が、入口及び出口を有するマイクロ流体流路を備え、
　前記第１の光源が、前記マイクロ流体流路を流れる前記フォトレオロジー流体に、前記第１の光線を照射し、
　前記第２の光源が、前記第１の光線を照射された前記フォトレオロジー流体の一部に、前記入口のうちの少なくとも１つの入口から前記出口のうちの少なくとも１つの出口までの経路に沿って第２の光線を照射し、それにより、第２の光線を照射された前記フォトレオロジー流体が前記入口から前記出口のうちの少なくとも１つの出口に向かって移動する、項１に記載のシステム。
項４．
　前記第２の光源が、
（ｉ）前記入口のうちの少なくとも１つの入口から前記マイクロ流体流路内の第１位置までの経路に沿って第２の光線を照射する第２の光源と、
（ｉｉ）前記マイクロ流体流路内の第２位置から前記出口のうちの少なくとも１つの出口までの経路に沿って、第２の光線を照射する第２の光源と、
（ｉｉｉ）前記第１位置と前記第２位置が異なる場合には、前記第１位置から前記第２位置までの経路に沿って第２の光線を照射する１つ又は複数の第２の光源とを備え、前記第１位置と前記第２位置が同じである場合には、（ｉｉｉ）の第２の光源は存在せず、
（ｉ）の第２の光線の照射方向と（ｉｉ）の第２の光線の照射方向は異なる、項３に記載のシステム。
項５．
　フォトレオロジー流体が、第１の光線を照射したフォトレオロジー流体中ではブラウン運動が抑制又は停止され、かつ第２の光線を照射したフォトレオロジー流体中ではブラウン運動により漂流できる粒子をさらに含有する、項１に記載のシステム。
項６．
　前記第１の光源及び第２の光源の組み合わせが、
　紫外線を照射するための紫外光源と可視光線を照射するための可視光源であるか、
　第１の波長を有する可視光線を照射する可視光源と第１の波長とは異なる第２の波長を有する可視光線を照射する可視光源であるか、又は
　第１の波長を有する紫外線を照射する紫外光源と第１の波長とは異なる第２の波長を有する紫外線を照射する紫外光源である、項１に記載のシステム。
項７．
　マイクロ流体デバイスと第２の光源の間に配置された、第２の光線を選択的に透過又は収束させる部材をさらに備える項１に記載のシステム。
項８．
　マイクロ流体デバイスにおける流体の粘度を制御する方法であって、前記マイクロ流体デバイスは、流体を収容するためのマイクロ流体収容部を備え、前記方法は、
　前記マイクロ流体収容部内のフォトレオロジー流体に、第１の光源により、第１の光線を照射する工程と、
　前記第１の光線を照射する工程の間に、第１の光線を照射している領域における前記フォトレオロジー流体の一部に、第２の光源により、第１の光線とは波長が異なる第２の光線を照射する工程であって、第２の光線を照射された前記フォトレオロジー流体の部分の粘度が、第２の光線が照射されていない前記フォトレオロジー流体の部分の粘度に対して変化する工程と、
を含む方法。
項９．
　前記フォトレオロジー流体は、光反応性化合物を含有する項８に記載の方法。
項１０．
　前記マイクロ流体収容部が、入口及び出口を有するマイクロ流体流路を備え、
　前記第２の光線を照射する工程は、前記マイクロ流体流路を流れる前記フォトレオロジー流体の一部に、前記入口のうちの少なくとも１つの入口から前記出口のうちの少なくとも１つの出口までの経路に沿って前記第２の光線を照射し、それにより、第２の光線を照射された前記フォトレオロジー流体が前記入口のうちの少なくとも１つの入口から前記出口のうちの少なくとも１つの出口に向かって移動することを含む、項８又は９に記載の方法。
項１１．
　前記第２の光線を照射する工程が、それぞれ別の第２の光源により、
（ｉ）前記入口のうちの少なくとも１つの入口から前記マイクロ流体流路内の第１位置までの経路に沿って第２の光線を照射すること、
（ｉｉ）前記マイクロ流体流路内の第２位置から前記出口のうちの少なくとも１つの出口までの経路に沿って、第２の光線を照射すること、
（ｉｉｉ）前記第１位置と前記第２位置が異なる場合には、前記第１位置から前記第２位置までの経路に沿って第２の光線を照射すること、
を備え、前記第１位置と前記第２位置が同じである場合には、（ｉｉｉ）の第２の光源は存在せず、（ｉ）の第２の光線の照射方向と（ｉｉ）の第２の光線の照射方向は異なる、項１０に記載の方法。
項１２．
　フォトレオロジー流体が、第１の光線を照射したフォトレオロジー流体中ではブラウン運動が抑制又は停止され、かつ第２の光線を照射したフォトレオロジー流体中ではブラウン運動により漂流できる粒子をさらに含み、第２の光線を照射する工程において、第２の光線を照射されたフォトレオロジー流体中の前記粒子は、ブラウン運動により漂流でき、第２の光線が照射されていないフォトレオロジー流体中の前記粒子はブラウン運動が抑制又は停止される、項８に記載の方法。
項１３．
　前記第１の光源及び第２の光源の組み合わせが、
　紫外線を照射するための紫外光源と可視光線を照射するための可視光源であるか、
　第１の波長を有する可視光線を照射する可視光源と第１の波長とは異なる第２の波長を有する可視光線を照射する可視光源であるか、又は
　第１の波長を有する紫外線を照射する紫外光源と第１の波長とは異なる第２の波長を有する紫外線を照射する紫外光源である、項８に記載の方法。
項１４．
　前記第２の光線を照射する工程は、マイクロ流体デバイスと第２の光源の間に配置された、第２の光線を選択的に透過又は収束させる部材を介して第２の光線を照射することを含む項８に記載の方法。
項１５．
　マイクロ流体流路を備えたマイクロ流体デバイスにおけるフォトレオロジー流体の流れをシミュレートするようコンピュータを動作させる方法であって、前記コンピュータが、
　フォトレオロジー流体で満たされ、マイクロ流体流路の全体が第１の光線により照射される、マイクロ流体流路の領域を作成すること、
　前記フォトレオロジー流体で満たされ、前記マイクロ流体収容部の一部が第２の光線により照射される、前記マイクロ流体収容部の領域を作成すること、及び
　前記第１の光線及び／又は第２の光線の強度の制御により、フォトレオロジー流体の流れをシミュレートすること
を行う方法。
項１６．
　フォトレオロジー流体の粘度を、せん断速度と第２の光線に対する第１の光線の比率との２変数関数とし、前記第１の光線及び／又は第２の光線の強度の制御により、フォトレオロジー流体の流れをシミュレートする、項１５に記載の方法。
マイクロ流体デバイスの一実施形態の模式図。 図１のマイクロ流体デバイスの分解斜視図。 フォトレオロジー(PR)流体の例の模式図。Hyuntaek ら,Soft Matter, 2013, 9, 5025より引用。 マイクロ流体デバイスにおける流体の流れを制御するためのシステムの一実施形態の模式図。 マイクロ流体デバイスの別の実施形態の模式図。（左）従来技術の例。（右）フォトレオロジー流体に第１光線を照射し、粒子のブラウン運動が抑制又は停止された状態。 マイクロ流体デバイスにおける流体の流れを３次元制御するためのシステムの別の実施形態の模式図。 光学系の模式図。 粘度とせん断速度の関係を示すグラフ。 シミュレーションに使用したPRFの領域。A：カーブ。B:直進、C:カーブ、3D表示。 シミュレーションにおける流速の記録位置。左：カーブ。右：直進 深さ0.2 mm、流速5 mm/sのときのシミュレーション結果。左：粘度変化なし（全体が同じ粘度）、右：粘度変化あり（PRF領域の流路部分だけ低濃度）。 実験装置の模式図。 実験に使用したフォトマスクの写真。 可視光照射時のフィルタの有無の比較、左：フィルタ有、カーブ流路、右：フィルタ無し、カーブ流路。 深さ0.1 mm、流速5 mm/s、OpenPVIによる解析。（左）直線流路の映像、（右）カーブ流路の画像。 別の光学系の模式図。 実際の光学系の写真。 集光の様子。 Y=0,1,2,3 mmのフィッティングデータ。 PRFの粘度測定のためのセットアップ。 可視光と紫外光の各比率におけるPRFの粘度特性。 ２変数関数で表した粘度特性のグラフ。 マイクロ流体デバイスのシミュレーション領域。 PRF が満ちた流路内全体に可視光を照射し、流路内の一部に平凸レンズで紫外光を照射した状況をシミュレーション。 （Ａ）～（Ｂ）表１１の１～４の各条件での各条件下での速度分布と流路内流れの比較。 （Ａ）実施例７のシミュレーションのフィッティング図、（Ｂ）実施例８の実験結果のフィッティング図。
　本明細書において、「備える、有する」は、「実質的にのみからなる」、及び「のみからなる」も包含する概念である。
　以下、本開示を実施するための形態について説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の代表的な実施形態の例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。
　図１はマイクロ流体デバイスの一実施形態の模式図であり、図２は図１のシステムの分解斜視図である。本明細書において、マイクロ流体デバイスとは、幅が１μｍ以上かつ１００μｍ未満の幅の狭い通路を通して少量の流体を収容又は移動できるデバイスを指す。マイクロ流体デバイスに収容される流体の量は、例えば１μｍ～１０００μｍであるが、これに限定されない。
　マイクロ流体デバイス１は、流路部１０と、パッキン２０と、蓋３０と、コネクタ４０と、チューブ５０とを備えている。
　流路部１０は流路本体１１を備え、流路本体１１の中には有底の流路１５が設けられている。流路本体１１は、流路１５の周囲を区画形成する流路本体１１の平面視略四角形の環状の壁１１ａと、流路１５及びその周囲の壁１１ａを包囲する平面視略四角形の環状の外壁１１ｂと、外壁１１ｂから連続的に延びる突出部１１ｃとを備えている。突出部１１ｃには略直線状の導入通路１１ｄが設けられている。
　壁１１ａの角部には孔１２（図面では４個）が設けられている。流路本体１１のそれぞれの壁１１ａには入口１３及び出口１４が貫通形成されている。流路部１０、特にはこれを構成する入口１３、出口１４、及び流路１５はマイクロ流体流路を構成する。流路部１０、特にはこれを構成する流路１５は、流体を収容するためのマイクロ流体収容部として作用する。
　パッキン２０は平面視略四角形の環状のプレート状の本体２１を備え、本体２１の４隅には本体２１を貫通する孔２２が設けられている。
　蓋３０は、平面視略四角形の環状の本体３１を備え、本体３１の４隅には本体３１を貫通する孔３２が設けられている。
　コネクタ４０は、チューブ５０内に流れてきた流体が流路部１０へ流れるようにチューブ５０と流路部１０を接続する。流路本体１１の突出部１１ｃは、コネクタ４０の先端側の接続端４１内に嵌合され、チューブ５０の先端がコネクタ４０の基端４２の側からコネクタ４０に接続される。流路本体１１の突出部１１ｃがコネクタ４０の先端側の接続端４１内に嵌合されると、流路本体１１の突出部１１ｃとコネクタ４０の先端側の接続端４１における突出部１１ｃと接する面が、入口１３まで伸びる略直線状の流体の導入路を形成する。各突出部１１ｃには孔１６が形成されており、各孔１６にはねじ８０がねじ込まれる。
　流路部１０、パッキン２０、及び蓋３０がこの順で重ね合わされ、蓋３０に略矩形のカバー６０（カバー６０の四隅にもカバー６０を貫通する孔が設けられている）を被せ、孔１２，２２，３２及びカバー６０の孔にねじ７０を通して流路部１０、パッキン２０、及び蓋３０が堅く接続される。
　流路部１０、パッキン２０、蓋３０、及びカバー６０は任意の材料から形成されてもよく、例えば合成樹脂、ゴム、又は金属などが挙げられる。蓋３０及びカバー６０は光透過性であることが好ましい。
　チューブ５０内に流れてきた流体は、コネクタ４０を通り、流路部１０へ流れ、流路部１０の入口１３から流路１５に入り、出口１４から出る。
　本開示において、マイクロ流体デバイス１を流れる流体は、フォトレオロジー流体（Photorheology fluid, PRF）を含む。本開示において、フォトレオロジー流体とは、照射される光の波長により粘度が変化する流体を指す。
　フォトレオロジー流体は、好ましくは、光反応性化合物を含有する。
　また、光反応性化合物は、光反応性基を有する光の照射によって構造変化が生じる化合物を指す。光反応性基がクマリン誘導体、スチリルピリジン誘導体、アゾベンゼン誘導体、桂皮酸誘導体、カルコン誘導体、スチルベン又はその誘導体、α-ヒドラゾノ-β-ケトエステル、ベンジリデンフタルイミジン、レチノイン酸誘導体、スピロピラン、スピロオキサジン、プロペンイミン又はその誘導体、アントラセン誘導体、及びベンゾフェノン誘導体から成る群から選択された少なくとも１種由来の基が挙げられるが、これらに限定されない。なお、本明細書において、誘導体という場合、別途定めがない限り、元の化合物の炭素骨格（炭素骨格中にヘテロ原子が含まれる場合はそのヘテロ原子も含む）が保持された誘導体を指す。
　好ましくは、光反応性化合物は、光の照射によって異性化が起こる光異性化化合物を含む。光照射により光異性化化合物が、トランス体（Ｅ）からシス体（Ｚ）へ、あるいはその逆に異性化され、構造が変化し、粘度が変化する（例えば流動化又は非流動化が誘起される。）このため、光照射により可逆的にフォトレオロジー流体の粘度及び／又は流速を制御することが可能となる。好ましい光異性化化合物としては、アゾベンゼン誘導体、桂皮酸誘導体、スピロピラン、プロピンイミン等が挙げられるが、これらに限定されない。
　特定の光異性化化合物の例としては、アゾベンゼン-4-カルボン酸(ACA)、アゾベンゼンイミダゾリウム（AzoIm）、トランス-オルト-メトキシ桂皮酸（OMCA）、又はそれらの塩、又はそれらの誘導体が挙げられるが、これらに限定されない。
　光反応性化合物は１種を単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
　特定の実施形態では、フォトレオロジー流体は、光反応性化合物と、界面活性剤とを含有する。界面活性剤の存在下で光反応性化合物が自己集合体を形成する（例えば水性界面活性剤下でミセルを形成する）。例えば、Soft Matter, 2013, 9, 5025 、J. AM. CHEM. SOC. 9 VOL. 129, NO. 6, 2007、Cho_2016_Smart_Mater._Struct._25_025022、Sensors 2019, 19, 1128、Journal of Colloid and Interface Science 594(2021)669-680を参照されたい。
　光反応性化合物については上述した通りである。
　界面活性剤としては、陽イオン性界面活性剤、陰イオン性界面活性剤、両性界面活性剤、又は非イオン性界面活性剤であってよい。陽イオン性界面活性剤としては、第４級アンモニウム塩（例えば臭化セチルトリメチルアンモニウム（CTAB）を始めとするモノアルキルアンモニウム塩）、エチレンオキシド付加型アルキルアンモニウム塩（例えばオレイルメチルビス（2-ヒドロキシエチル）アンモニウムクロリド）などが挙げられる。陰イオン性界面活性剤としては、サリチル酸ナトリウム(NaSal)、デオキシコール酸ナトリウムなどが挙げられる。両性界面活性剤としては、エルシルジメチルアミドプロピルベタイン(EDAB)を始めとするベタイン型両性界面活性剤、レシチンなどが挙げられる。非イオン性界面活性剤としては、ポリエチレングリコール(PEG)を始めとする酸化エチレン型非イオン性界面活性剤などが挙げられる。
　界面活性剤は１種を単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
　好ましい光反応性化合物と界面活性剤の組み合わせとしては、アゾベンゼン-4-カルボン酸(ACA)と塩化ジPOE(2)オレイルメチルアンモニウム（EHAC）、トランス-オルト-メトキシ桂皮酸（OMCA）と臭化セチルトリメチルアンモニウム（CTAB）、スピロピランとデオキシコール酸ナトリウム及び／又はレシチンが挙げられる。
　特定の実施形態では、フォトレオロジー流体は、光反応性化合物と、光反応性化合物とともにホスト－ゲスト錯体形成反応を起こさせる化合物とを含有する。
　光反応性化合物については上述した通りである。
　光反応性化合物とともにホスト－ゲスト錯体形成反応を起こさせる化合物としては、ナフチル官能基化ヒドロキシエチルセルロース、ビオロゲン含有ポリマー（例えばメチルビオロゲン含有スチレン共重合体(PSTMV)）、及びククルビットウリル（CB[8]）の組み合わせなどが挙げられるが、これらに限定されない。ククルビットウリル(CB[8])を介したポリマーネットワークによる水系フォトレオロジー流体の調製は、例えばPolym. Chem., 2015, 6, 7652-7657に記載されている。
　光反応性化合物とともにホスト－ゲスト錯体形成反応を起こさせる化合物は、例えば、ナフチル官能基化ヒドロキシエチルセルロース、ビオロゲン含有ポリマー（例えばメチルビオロゲン含有スチレン共重合体(PSTMV)）、及びククルビットウリル（CB[8]）の組み合わせなどが挙げられるが、これらに限定されない。
　好ましい光反応性化合物と光反応性化合物とともにホスト－ゲスト錯体形成反応を起こさせる化合物の組み合わせとしては、((フェニルアゾ)ベンジル)イミダゾリウムと、ナフチル官能基化ヒドロキシエチルセルロース、ビオロゲン含有ポリマー（例えばメチルビオロゲン含有スチレン共重合体(PSTMV)）、及びククルビットウリル（CB[8]）の組み合わせなどが挙げられるが、これらに限定されない。
　フォトレオロジー流体は、溶媒をさらに含んでもよい。そのような溶媒としては、水有機溶媒、またはその組み合わせが挙げられる。有機溶媒としては、アルコール、グリコール、エステルなどが挙げられるがこれらに限定されない。
　フォトレオロジー流体は、光反応性化合物、界面活性剤、光反応性化合物とともにホスト－ゲスト錯体形成反応を起こさせる化合物、及び溶媒以外に、１種又は２種以上の添加剤を含有してもよい。そのような添加剤としては、例えば水酸化ナトリウム（NaOH）、水酸化カリウム、炭酸ナトリウムと炭酸水素ナトリウムの当モル量混合物などが挙げられる。
　フォトレオロジー流体は、第１の光線を照射したフォトレオロジー流体中ではブラウン運動が抑制又は停止され、かつ第２の光線を照射したフォトレオロジー流体中ではブラウン運動により漂流できる粒子をさらに含有してもよい。第２の光線を照射したフォトレオロジー流体中ではブラウン運動により漂流できる粒子は、フォトレオロジー流体中では自由に漂流し、光ピンセットで操作することができる。光ピンセットとは、集光したレーザー光を微小物体（本願の場合、粒子）に照射することにより、照射したときに生じる光の放射圧で微小物体を捕捉し、さらには移動させる装置又は技術を指す。第１の光線及び第２の光線については後でより詳しく説明する。
　フォトレオロジー流体は、光反応性化合物と、任意選択の他の添加剤とを混合することにより得られる。フォトレオロジー流体が光反応性化合物と界面活性剤を含有し、光反応性化合物が酸である場合、界面活性剤との混合前に金属塩（アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩など）により塩化しておいてもよい。また、成分の混合は、ミキサー等の公知の混合装置又は攪拌装置により行うことができる。さらに混合は、加熱して行ってもよい。
　図３は、界面活性剤としてEHAC、光反応性化合物としてACAを含有するフォトレオロジー流体(PRF)の例の模式図である。
　ACA はシス－トランス異性体であり、紫外線を照射するとシス異性体に、可視光線を照射するとトランス異性体に変化する。照射光によって粘度が変化する原理は、Hyuntaek ら,Soft Matter, 2013, 9, 5025 に説明されている。すなわち、図３に示すように、PRF に可視光線が照射されている場合、ACA はトランスであり、EHAC（今回の場合は POE(2)オレイルメチルアンモニウム）と結合して個別の単層小胞を形成する。紫外線を照射すると、トランス ACA は光異性化されてシス ACA になり、そして絡み合った虫のようなミセルが形成される。このミセルは単層小胞と比較して、流体にはるかに高い粘度を生み出す。その後再び可視光線を照射すると、シス ACA は異性化されてトランス ACA に戻り、構造とレオロジーは初期状態に戻る。即ち、流体の粘度は再び低下する。この異性体の変化及び流体の粘度の変化は可逆的である。
　図示しない別の例では、光反応性化合物としてアゾベンゼン誘導体（特には下記のAZOB-C6）が挙げられる。フォトレオロジー流体がAZOB-C6を含有する流体の場合、AZOB-C6のtrans異性体（trans-AZOB-C6）は断面楕円形の中空管（ワーム様ミセル, WLM）を形成し、trans-AZOB-C6を含有するフォトレオロジー流体は非ニュートン流体の性質を有するAZOB-C6のcis異性体（cis-AZOB-C6）は楕円体のミセルを形成し、cis-AZOB-C6を含有するフォトレオロジー流体は、trans-AZOB-C6を含有するフォトレオロジー流体よりも粘度が低く、濃度が低い場合には水のようなニュートン流体の性質を有する（Journal of Colloid and Interface Science 594 (2021) 669-680）。フォトレオロジー流体に紫外光源により紫外線を照射することによりtrans異性体がcis異性体に変換され、可視光線を照射したときと比較してより粘度が低い流体となる。このため、また、マイクロ流体流路内のフォトレオロジー流体の一部に紫外線を照射することにより、紫外線が照射されたフォトレオロジー流体の部分の粘度を、紫外線を照射する前のフォトレオロジー流体の粘度や、可視光線が照射された前記フォトレオロジー流体の部分の粘度に対して、低下させることができる。
　このように、照射する光を変更するだけで、フォトレオロジー流体の粘度及び／又は流れを制御することができる。例えば、PRFの一部の粘度だけを変化させれば、相対的に低粘度の部分では流体が移動し、高粘度の部分では流体が停滞するというように、流れの制御が可能となる。このため、この流体の性質を利用して、マイクロ流体デバイスにおける流体の粘度、若しくは流れの方向又はパターンを制御することができる。
　図４は、マイクロ流体デバイスにおける流体の粘度を制御するためのシステムの一実施形態の模式図である。マイクロ流体デバイス１は図１を参照して説明したものである。システム１００は、マイクロ流体デバイス１と、マイクロ流体流路に流されるフォトレオロジー流体と、該フォトレオロジー流体に第１の光線を照射するための第１の光源２と、該フォトレオロジー流体に第１の光線とは波長が異なる第２の光線を照射するための第２の光源３と、第２の光源３とマイクロ流体デバイス１の間に配置された遮光部材４とを備えている。第１の光源２と、第２の光源３と、遮光部材４は、マイクロ流体デバイス１の外部に配置されている。特定の実施形態では、第１の光源２は、フォトレオロジー流体に紫外線を照射するための紫外光源であり、第２の光源３は、フォトレオロジー流体に可視光線を照射するための可視光源である。また、遮光部材４は、可視光源３からの可視光線を遮蔽する部分と透過させる部分とを有する。
　マイクロ流体流路内の、フォトレオロジー流体の一部又は全部に、第１の光源２により第１の光線又は第２の光源３により第２の光線を照射することにより、照射後の前記フォトレオロジー流体の部分の粘度を、照射前のフォトレオロジー流体の粘度と比較して、変化させることができる。
　第２の光源３により第２の光線を照射されたフォトレオロジー流体の粘度は、第１の光源２により第１の光線を照射されたフォトレオロジー流体の粘度よりも低いことが、第２の光源３により第２の光線を照射されたフォトレオロジー流体による流路（仮想の通路とも言える）を第１の光線を照射されたフォトレオロジー流体の中に形成する点で、好ましい。
　例えば、フォトレオロジー流体がACA 及びEHACを含有する流体の場合、フォトレオロジー流体の一部又は全部に、紫外光源により紫外線を照射することにより、紫外線が照射された前記フォトレオロジー流体の部分の粘度を、紫外線を照射する前のフォトレオロジー流体の粘度や、紫外線が照射されていないフォトレオロジー流体の部分の粘度と比較して、増大させることができる。また、マイクロ流体流路を流れる、フォトレオロジー流体の一部又は全部に、可視光源により可視光線を照射することにより、可視光線が照射された前記フォトレオロジー流体の部分の粘度を、可視光線を照射する前のフォトレオロジー流体の粘度や、可視光線が照射されていない（あるいは紫外線が照射された）前記フォトレオロジー流体の部分の粘度に対して、低下させることができる。
　例えば、フォトレオロジー流体がアゾベンゼン誘導体（特にはAZOB-C6）を含有する流体の場合、紫外光源により紫外線を照射することにより、紫外線が照射された前記フォトレオロジー流体の部分の粘度を、紫外線を照射する前のフォトレオロジー流体の粘度や、紫外線が照射されていないフォトレオロジー流体の部分の粘度と比較して、低下させることができる。また、マイクロ流体流路を流れる、フォトレオロジー流体の一部又は全部に、紫外光源により紫外線を照射することにより、紫外線が照射された前記フォトレオロジー流体の部分の粘度を、紫外線を照射する前のフォトレオロジー流体の粘度や、紫外線が照射されていない（あるいは可視光線が照射された）前記フォトレオロジー流体の部分の粘度に対して、低下させることができる。
　本実施形態では、第１の光源２と第２の光源３は、マイクロ流体デバイス１の上方に配置され、第１の光源２からマイクロ流体デバイス１への第１の光線の照射及び第２の光源３からマイクロ流体デバイス１への第２の光線の照射が干渉しない位置に配置されている。遮光部材４は、例えばフォトマスク（図１３参照）であり、このフォトマスクはマイクロ流体流路へ到達する第２の光線を遮蔽するため（第２の光線が透過する部分は除く）、マイクロ流体流路を覆うように使用される。フォトマスクは、好ましくは第２の光線を遮蔽する部分と、第２の光線を透過させる部分とを備えたフォトマスクである。第２の光線を透過させる部分は、例えば、線状（直線状、曲線状、点線状など）である。好ましい実施形態では、第１の光源２が紫外光源であり、第２の光源３が可視光源である。別の好ましい実施形態では、第１の光源２が可視光源であり、第２の光源３が紫外光源である。
　フォトマスクの第２の光線を透過させる部分を線状にすることで、マイクロ流体流路を流れるフォトレオロジー流体の一部に、第２の光源３からの第２の光線を線状のパターンで照射することができる。フォトレオロジー流体がマイクロ流体流路内を流れている場合、第２の光線が照射された領域の延びる方向に沿って、第２の光線を照射されたフォトレオロジー流体の部分が移動する。第２の光源３からの第２の光線を線状のパターンで照射すると、マイクロ流体流路内を流れる第２の光線が照射された流体の線状の部分の流れを変化させることができる。このように、マイクロ流体流路（より詳しくは流路１５）内に仕切りや配管を設けなくても、第２の光線が照射されたフォトレオロジー流体の部分が仮想の通路を流れるような流れを生じさせることができる。
　特定の実施形態では、第１の光源２から第１の光線が照射されているマイクロ流体流路を流れるフォトレオロジー流体の一部に、第２の光源３が第２の光線を線状のパターンで照射することにより、第２の光線が照射された流体の部分の線状の流れを、第２の光線が照射されておらず第１の光線が照射された流体の部分の中で変化させることができる。これにより、第２の光線が照射された流体の部分の粘度が、その周囲の、第２の光線が照射されておらず第１の光線が照射された流体の部分の粘度より小さくなり、第２の光線が照射された流体の部分が相対的に早く流れる流れを形成することができる。
　特定の実施形態では、第１の光源２が、マイクロ流体流路を流れるフォトレオロジー流体に、前記第１の光線を照射し、第２の光源３が、第１の光線２を照射されたフォトレオロジー流体の一部に、入口１３のうちの少なくとも１つの入口から出口１４のうちの少なくとも１つの出口までの経路に沿って第２の光線を照射する。このような構成により、少なくとも１つの入口から少なくとも１つの出口に向かって移動する、第２の光線が照射されたフォトレオロジー流体の部分の流れが生じる。
　特定の好ましい実施形態では、マイクロ流体デバイスにおける流体の流れを制御するためのシステムにより、マイクロ流体流路を流れる、フォトレオロジー流体の一部又は全部に紫外線を照射しておき、次に、マイクロ流体流路を流れる、紫外線が照射されているフォトレオロジー流体の一部に、入口１３から出口１４のうちの少なくとも１つの出口までの経路に沿って可視光源により可視光線を照射する。このような構成により、可視光線が照射されたフォトレオロジー流体の部分の流れが、紫外線が照射されているが可視光線が照射されていないフォトレオロジー流体の部分の流れに対して変化し、可視光線が照射されたフォトレオロジー流体の部分の流れの粘度及び流速は、紫外線が照射されているが可視光線が照射されていないフォトレオロジー流体の部分の流れの粘度及び流速よりも速くなる。可視光線を照射された前記フォトレオロジー流体の部分が、可視光線により照射された領域の延びる方向に沿って移動する。このため、マイクロ流体流路内に仕切りや配管を設けなくても、可視光線が照射されたフォトレオロジー流体の部分があたかも特定の通路を流れるような流れを生じさせることができる。
　次に、マイクロ流体デバイス１における流体の粘度を制御する方法について説明する。上記方法は、マイクロ流体収容部内のフォトレオロジー流体に、第１の光線を照射する工程と、第１の光線を照射する工程の間に、第１の光線を照射している領域におけるフォトレオロジー流体の一部に、第１の光線とは波長が異なる第２の光線を照射する工程であって、第２の光線が照射されたフォトレオロジー流体の部分の粘度が、第２の光線が照射されていないが第１の光線が照射されているフォトレオロジー流体の部分の粘度に対して変化する工程と、を含む。 
　第２の光線を照射されたフォトレオロジー流体の粘度は、第１の光線を照射されたフォトレオロジー流体の粘度よりも低いことが、第２の光線を照射されたフォトレオロジー流体による流路（仮想の通路とも言える）を第１の光線を照射されたフォトレオロジー流体の中に形成する点で、好ましい。
　好ましい実施形態では、上記マイクロ流体デバイス１における流体の粘度を制御する方法は、マイクロ流体デバイス１における流体の流れを制御する方法である。上記方法は、マイクロ流体流路内を入口１３から出口１４へ、フォトレオロジー流体を流す工程と、マイクロ流体流路を流れるフォトレオロジー流体に、第１の光線を照射する工程と、第１の光線を照射する工程の間に、第１の光線を照射している領域におけるフォトレオロジー流体の一部に、第１の光線とは波長が異なる第２の光線を照射する工程であって、第２の光線が照射されたフォトレオロジー流体の部分の流れが、第２の光線が照射されていないが第１の光線が照射されているフォトレオロジー流体の部分の流れに対して変化する工程と、を含む。 
　このような構成により、マイクロ流体流路（より詳しくは流路１５）内に仕切りや配管を設けなくても、第２の光線が照射されたフォトレオロジー流体の部分が仮想の通路を流れるような流れを生じさせることができる。
　好ましい実施形態では、フォトレオロジー流体はマイクロ流体収容部としてのマイクロ流体流路を流れ、マイクロ流体第２の光線を照射されたフォトレオロジー流体の部分が、その第２の光線により照射された領域の延びる方向に沿って移動する。
　フォトレオロジー流体については、上述した通りである。
　好ましい実施形態では、第２の光線を照射する工程は、マイクロ流体流路を流れる前記フォトレオロジー流体の一部に、入口１３のうちの少なくとも１つの入口から前記出口１４のうちの少なくとも１つの出口までの経路に沿って第２の光線を照射し、それにより、第２の光線を照射されたフォトレオロジー流体が前記入口のうちの少なくとも１つの入口から前記出口のうちの少なくとも１つの出口に向かって移動することを含む。
　好ましい実施形態では、第１の光源及び第２の光源の組み合わせが、紫外線と可視光線である。別の好ましい実施形態では、第１の光線が紫外線であり、第２の光線が可視光線である。別の好ましい実施例では、第１の光線が可視光線であり、第２の光線が紫外線である。
　好ましい実施形態では、第１の光源及び第２の光源の組み合わせが、第１の波長を有する可視光線を照射する可視光源と第１の波長とは異なる第２の波長を有する可視光線を照射する可視光源である。別の好ましい実施形態では、第１の光源が第１の波長を有する可視光線を照射する可視光源であり、第２の光源が第１の波長より短い第２の波長を有する可視光線を照射する可視光源である。別の好ましい実施形態では、第１の光源が第１の波長を有する可視光線を照射する可視光源であり、第２の光源が第１の波長より長い第２の波長を有する可視光線を照射する可視光源である。
　好ましい実施形態では、第１の光源及び第２の光源の組み合わせが、第１の波長を有する紫外線を照射する紫外光源と第１の波長とは異なる第２の波長を有する紫外線を照射する紫外光源である。別の好ましい実施形態では、第１の光源が第１の波長を有する紫外線を照射する紫外光源であり、第２の光源が第１の波長より短い第２の波長を有する紫外線を照射する紫外光源である。別の好ましい実施形態では、第１の光源が第１の波長を有する紫外線を照射する紫外光源であり、第２の光源が第１の波長より長い第２の波長を有する紫外線を照射する紫外光源である。
　好ましい実施形態では、第２の光線を照射する工程は、第２の光線を選択的に透過又は収束させる部材でマイクロ流体流路を覆った状態で、マイクロ流体流路を流れるフォトレオロジー流体の一部に、第２の光線を照射することを含む。第２の光線を選択的に透過又は収束させる部材としては、上述の遮蔽部材４が挙げられるがこれに限定されない。
　ここまで、特定の実施形態について説明してきたが、以下のような種々の変形が可能である。
・図２では、流路１５を区画形成する４つの壁のそれぞれに、入口１３が１つ、出口１４が設けられているが、入口及び出口の数はこれらに限定されず、流路１５に通じる入口は１つ又は複数であってよく、出口も１つ又は複数であってよい。
・フォトレオロジー流体がACAを含む場合、ACAは紫外線を照射するとシス異性体に変化して粘度が高くなり、可視光線を照射するとトランス異性体に変化して粘度が低くなるため、第１の光源２を紫外光源、第２の光源３を可視光源として、マイクロ流体流路には紫外光源でフォトレオロジー流体の流れの中に、照射した可視光源で照射したフォトレオロジー流体の流れを生じさせることが好ましいが、第１の光源２及び第２の光源３の組み合わせは、光反応性化合物の異性化の性質によって当業者には適宜選択することができる。例えば、紫外線により粘度が相対的に低く、可視光線により粘度が相対的に高くなる流体の場合、第１の光源２を可視光源、第２の光源３を紫外光源としてもよい。或いは、可視光線の範囲内で粘度が変化するフォトレオロジー流体の場合、第１の光源２及び第２の光源３をともに可視光源とし、第１の波長を有する可視光線を照射する可視光源と、第１の波長とは異なる第２の波長を有する可視光線を照射する可視光源としてもよい。或いは、紫外線の範囲内で粘度が変化するフォトレオロジー流体の場合、第１の光源２及び第２の光源３をともに紫外線光源とし、第１の波長を有する紫外線を照射する紫外光源と、第１の波長とは異なる第２の波長を有する紫外線を照射する紫外光源としてもよい。
・第１の光源２、第２の光源３、又はその両方にレーザースキャンシステムを使用してもよい。
・第２の光線を選択的に透過又は収束させる部材としては、可視光線を遮蔽する遮蔽部材４に限られず、可視光線を集光するレンズが使用されてもよい。レンズの例としてはマイクロレンズアレイが挙げられる。また、紫外線をマスクするドットマトリックスLCD、デジタルミラーアレイが使用されてもよい。
・図１，２に示したマイクロ流体デバイスは、入口１３と出口１４を有するマイクロ流体流路を備えていたが、マイクロ流体デバイスは入口と出口を備えていないマイクロ流体デバイスであってもよい。例えば、図５は、マイクロ流体デバイスが流体を収容するマイクロ流体収容部１７は入口と出口を有しない例である。左図は、フォトレオロジー流体には何も照射していない状態であり、フォトレオロジー流体の粘度は相対的に低い。右図のように、フォトレオロジー流体にまず、第１の光源（例えば紫外光源）から第１の光線（例えば紫外線）を照射すると、マイクロ流体収容部１７内のフォトレオロジー流体の粘度が相対的に高くなる。次に、フォトレオロジー流体に第１の光源（例えば紫外光源）から第１の光線（例えば紫外線）を照射している間に、第２の光源（例えば可視光源）から第２の可視光線（可視光線）をフォトレオロジー流体の一部に照射すると、その部分の粘度が相対的に低くなる。微視的に見ると、左図の従来技術の状態では粒子 P2、P3、P4 は、ブラウン運動のため流体内を自由に漂うことができる。右図において、第１の光線を照射すると、フォトレオロジー流体が高粘度な状態となり、粒子のブラウン運動が大幅に低減され、粒子 P2、P3、P4のブラウン運動が抑制又は停止される。光トラップの影響で、捕捉された粒子 P2はほとんどまたは全く移動できないが、第２の光線を粒子P1を含むフォトレオロジー流体の領域に照射すると、粒子P1は粒子 P2 に向かって移動することができる。
・マイクロ流体デバイスのマイクロ流体流路は、側壁に入口と出口が設けられている２次元の流路だけでなく、上壁及び下壁のうちの少なくとも一つにも入口及び／又は出口が設けられている３次元の流路であってもよい。例えば、図６は、マイクロ流体流路の 3次元制御のセットアップについて説明する略図である。フォトレオロジー流体は左側の入口I1 からマイクロ流体流路１８に入る。マイクロ流体流路１８内のフォトレオロジー流体に第１の光源（例えば紫外光源）から第１の光線（例えば紫外線）を照射して高粘度の流体とした後、第２の光源からの第２の可視光線（可視光線）を２つのシリンドリカルレンズ１９ａ，ｂを使用して、フォトレオロジー流体に照射し、入口I1から出口O3に到達するまでの低粘度流体の連続的な経路を作成する。第２の光源からシリンドリカルレンズ１９ａを介して照射される第２の光線の方向と、第２の光源からシリンドリカルレンズ１９ｂを介して照射される第２の光線の方向は異なっており、本実施形態では、２つの第２の光線が互いに垂直な関係で照射され、フォトレオロジー流体に第２の光線がＬ字型に照射されている（マイクロ流体デバイス及びマイクロ流体流路が水平に配置されていると仮定し、垂直方向と水平方向に第２の光線が照射される）。右側のレンズ１９ｂを移動するか、その曲率を変更することによって、出口の位置を異なる位置（例えば出口O1や出口O2など）に変更し、選択することもできる。なお、この実施形態では、入口のうちの少なくとも１つの入口I1と、出口O1, O2, O3は、マイクロ流体流路１８の互いに垂直な面上に設けられているが、入口と出口の位置は、プリズムの側面に 45 度で配置することも、球の周囲にランダムに配置することも、その他の可能な構成で配置することもでき、異なる位置に配置されていれば特に限定されない。
　第２の光源が、
（ｉ）前記入口のうちの少なくとも１つの入口から前記マイクロ流体流路内の第１位置までの経路に沿って第２の光線を照射する第２の光源と、
（ｉｉ）前記マイクロ流体流路内の第２位置から前記出口のうちの少なくとも１つの出口までの経路に沿って、第２の光線を照射する第２の光源と、
（ｉｉｉ）前記第１位置と前記第２位置が異なる場合には、前記第１位置から前記第２位置までの経路に沿って第２の光線を照射する１つ又は複数の第２の光源とを備え、前記第１位置と前記第２位置が同じである場合には、（ｉｉｉ）の第２の光源は存在しないシステムも本発明の範囲に含まれる。この場合、例えば（ｉ）の第２の光線の照射方向と（ｉｉ）の第２の光線の照射方向は異なる。或いは、前記入口のうちの少なくとも１つの入口と前記出口のうちの少なくとも１つの出口は、マイクロ流体キャビティを形成する一連の平面のうち、非同一平面にある。非同一平面は、例えば異なる角度をなす異なる平面を指す。
　以下の実施例は、例示のみを意図したものであり、何ら本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではない。特に断らない限り、試薬は、市販されているか、又は当技術分野で慣用の手法、公知文献の手順に従って入手又は調製する。
実施例１　フォトレオロジー流体（PRF）の作成
　以下の手順によって PRF を作成した。まず、ホットプレートで水を 45℃に熱し、そこにアゾベンゼン-4-カルボン酸（ACA） を 3.0 mM/L 加えた。次に、ACA を塩化して可溶にするために NaOH を 3.3 mM/L加えた。更に、リポソカード O/12（ジ POE(2)オレイルメチルアンモニウム）を 3.4 mM/L加え、この混合物を 45℃に保ったまま、ミキサーを用いて三十分間 300 rpm でかき混ぜた。その後、ホットプレートを止めて二分間 600 rpm でかき混ぜ、最後に、200 rpm で一日間かき混ぜた。
　得られたPRF の密度及び粘度について、それぞれ測定した。密度については、マイクロピペットにて 1.04 ml の PRF を取り、電子天秤で質量を計ったところ 0.98 g となった。これにより、PRF の密度は 942 kg/m3と計算された。
　粘度はレオメータ (HR 10, TA instruments, Inc) を用いて、表１に示す条件で測定した。照射光による粘度の変化を測定するために、図７に示す光学系を用いた。この光学系では、可視光は第１光源２としての可視光源 (SOLIS-445C, Thorlabs, Inc) から発せられ、二色性ミラー５ (DMPL425, Thorlabs, Inc) を通過する。二色性ミラー５は可視光を透過させる性質を持つため、光はその先の球面コンデンサーレンズまで直接進むことになる。このレンズによって光は集束され、平面ミラー６ (Φ75mm UV enhanced aluminum coated λ/10 Mirror, 84-425, Edmund Optics, Inc) によって上方に反射される。一方、第２光源３としての紫外光源 (SOLIS-365C, Thorlabs, Inc) から発せられた紫外光は、二色性ミラー５が紫外光を透過しないため、二色性ミラー５によって反射される。その後、光は集光レンズによって集束され、平面ミラー６で上向きに反射される。これにより紫外光と可視光の両方を同じ位置、同じ角度からPRF７に照射することができる。この光学系を用いて、水、可視光照射時の PRF、紫外光照射時の PRF、両光照射時の PRFについてそれぞれ五回ずつ粘度測定を行い、平均値を求めた。表２に測定の結果を示す。また、粘度－せん断速度の結果（データ非図示）を水の粘度が 1.0mPa・s になるように補正したところ、図８のようになった。図８より、低せん断速度領域においては、理論通り紫外光照射時の粘度が可視光照射時よりも遥かに高くなっていることがわかる。この結果より、本実験で作成した PRF は、問題なく PRF としての機能を有していることがわかった。また、両光を同時に照射した場合、粘度は可視光照射時よりも僅かに高いが、紫外光照射時には及ばない程度の粘度になっている。以降の実際の機器を用いた実験では、本実施例のPRFと同一の PRF を使用している。
実施例２　流路内流れの CFD シミュレーション
　本実施例では、先に製造したPRFを用いたマイクロ流体デバイスを CFD ソフトウェア上で再現し、粘度変化による流れの制御をシミュレートした。
１．フィッティング
　実施例１の結果より、PRF の粘度・せん断速度曲線はカロー流体モデルで近似できると考えた。カロー流体モデルとは、非ニュートン流体の粘度とせん断速度の関係を表す式の一つであり、以下の式(1)で表される。
（μ：粘度、μ0：ゼロせん断速度粘度、μ∞：無限大せん断速度粘度、λ：時定数、ｎ：パワーインデックス、γ・：せん断速度）
　測定された PRF の粘度を、この式でフィッティングする。フィッティングには Python モジュール scipy.optimize の curve_fit を使用し、使うデータはせん断速度が 1 /s 以上のものだけとした。これは、低せん断速度での不適切な挙動の粘度をフィッティングに含めることで精度が下がるのを防ぐためである。カロー流体モデルでは 0 < λ< 2 、0 < n < 1 となるのが一般的であるので、今回のフィッティングもその範囲内で行った。表３に、フィッティングにより得られた各種パラメータを示す。表３から構成したフィッティング曲線は実データから大きくずれてはおらず、十分にフィッティングができていると判断した。よって、後述する CFD シミュレーションの全てでこれらのパラメータを使用している。
２．実験方法とCFDシミュレーション
　PRF の粘度変化による流れへの影響を予測するために、次のようなシミュレーションを実行した。使用したソフトは COMSOL Multiphysics（登録商標）であり、使用モジュールは Laminar Flow である。
　まず、図９ (A)-(C)及び図１０に示すような領域を作成した。この領域内は１．でフィッティングした、紫外線（UV）での粘度の流体が満たされていて、三つの流出口（Outlet）にかかる圧力は 0 である。この領域に対して、流入口（Inlet）から一様流れを発生させた。また、領域境界は滑り無しであると設定した。その後、領域内の流速が定常状態に落ち着いたら、流路部分だけ粘度を可視光線（Visible）へと切り替えた。切り替えた瞬間の時刻を 0 として、時刻3 × 10-3 s になるまで、1 ステップ1 × 10-5 s でシミュレートした。表４にシミュレーションの環境を纏めておく。このシミュレーションを、表 ５のように一様流れの流速及び領域の深さを変えて、計 60回のシミュレーションを実行した。流速は 1、2，...10 mm/s の範囲で、領域の深さは 0.1、0.2、0.4 mm の中で変化させた。
３．シミュレーション結果
　三つの流出口の内、流路が繋がっている流出口の中央の流速を測定し、入口の一様流れの流速に対する割合を求めた。なお、流速の測定は図１０に示す点Ｐの位置で行っている。
　深さ0.2 mm、流速5 mm/sのときのシミュレーション結果を図１１に示す。t = 0 における出口の流速は、カーブでは 0.4 mm/s、直進では 0.2mm/s 程度となっている。しかし、t = 3 × 10-3 ではどちらも大きく増加しており、特に流路中央部分では 1 mm/s にも届いていた。
　流路部分の形状、各深さの流路について個別に検討したところ、流路が深いほど流速の収束に時間がかかる傾向にあった。また、流路が深いほど入口の流速に対する収束時の流速の割合（目的の出口から出て行く PRF の割合）が高くなる結果も得られ、いずれも流路が広いほど摩擦の影響が小さくなるためと考えられた（データ省略）。
　流路幅が1.2 mm の場合、カーブ流路なら最大 70 %、直進流路なら最大 67 ％ 程度であった。流路幅を0.2mmにした場合、出口の流速を入口の流速の90%（目的の出口に行くPRFの割合を90%）にまで上昇させることができることも判明した（データ省略）。
　PRFを用いたマイクロ流体流路は、微小なスケールであれば十分に実用的な価値があると言える。
実施例３　実際の機器を用いた実験
　図１に示すようなマイクロ流体デバイスを作製した。各部材の結合部及びネジ部の接着には、液漏れを防ぐためにグリスを塗布した。流路本体１１の形状は、中央部分が実施例２のCFD シミュレーションで使用した領域と同じ形状になっている。
　このマイクロ流体デバイスを図１２のような装置に固定した。この装置ではハイスピードカメラ９ｂ（HAS-EF, DITECT, Inc）が顕微鏡９に接続されており、流路を下方から2.5 倍拡大で撮影することができる。斜め方向には第１光源２としての紫外光源（SOLIS-365C, Thorlabs, Inc）が、流路の上方には第２光源３としての可視光源（SOLIS-445C, Thorlabs, Inc）が、固定されており、同時に照射することが可能である。可視光源から照射された青色光は、フィルタ８
に遮られて対物レンズ９ａに届くことはない。実験では、マイクロ流体デバイス１の上部に、可視光線を透過する曲線状の部分と、可視光線を遮光する曲線状の部分の周囲の部分とを有する図１３のフォトマスクを遮光部材４として被せ、流路の一部にだけ可視光が当たるようにした。フォトマスクが、流路への紫外光の照射に干渉しないよう、流路より 5 mm ほど上部にフォトマスクを固定した。フィルタの位置は、可視光が図１４のように当たるように調整した。このとき、可視光が回折により広範囲に照射されることを防ぐため、可視光の強度は 0.5 W/cm2 に設定し、合わせて紫外光の強度も 0.5 W/cm2 とした。マイクロ流体流路の入り口には PRF とトレーサー粒子（UVPMS-BG-1.00 10-20um-0.1g,Cospheric. Inc）を 5:1 の割合で混ぜた流体を注入し、マイクロシリンジポンプ（YSP-201,YMC, Inc）を使用して流路に PRF を流した。このとき、流速が 1、2，...10 mm/s になるように流量を調節した。PRF を流してから十数秒ほど待ち、流速が定常状態になったと判断したら、録画を開始し、同時に可視光源をオンにした。その後、250 fps で約 4 秒間記録した。
　実験の結果、撮影された映像をフレームごとに切り出し、OpenPIV を用いて解析した。OpenPIVは オープンソースのPIV（Paricle Image Velocimetry, 粒子画像流速測定法）ライブラリで、流体の流れの可視化に以前から使用されている。
　結果を図１５に示す。深さ0.1 mmm の直進流路では、流速 5 mm/s では流れの多くが目的の出口へと向かっていた（左）。また、深さ 0.1mm のカーブ流路でも、流速 5 mm/s では流れの多くが目的の出口へと向かっていた（右）。
実施例４　光学系
　以下の実施例５、７－８で使用した光学系について説明する。
　図１６に示すような光学系を使用した。LAは光軸である。図１６の模式図において、複数の紫外光源１０２、１０３を備えた光源１０１と平凸レンズ１０７の間に、2枚のレンズ１０４と絞り１０５を組み込んだ。1枚目のレンズ１０４の焦点距離に絞り１０５を入れることで光軸LAと平行でない光成分を排除し、領域１０６では平行光線が通過し、平凸レンズ１０７に平行光線のみを入射させることができる。実際の光学系の写真を図１７に、光が集光される様子を図１８に示す。
　この光学系によって集光される光強度の分布を測定した。測定する際，紫外光源の出力は、最大値である2.83mW/mm2で固定した。原点を、図１６の黒丸で示されたような光強度がピークとなる点として、x軸を光軸と垂直に、y軸を平行に取り、測定結果を表６にまとめた。
　x軸に関して、光強度は対称的な値を示しており、光軸に対して対称性を持つと判断できる。よってこの光学系には軸外収差がほとんどないことが確かめられた。y軸方向に関して、x=0mmにおいてはy座標の値が大きくなるほど光密度は小さくなり、x≠0mmにおいてはy座標の値が大きくなるほど光密度が大きくなることがわかる。これは、焦点で光が集まった後、光が再び拡散するからであり、期待通りの結果が得られた。
　また、紫外光源の光密度が2.83mW/mm2に対し、最大値は1.26mW/mm2であり、光密度は半分以下となった、これは、平行成分の光線以外を除くことで光の総量が減少してしまうことが大きな理由だと考えられる。
　この光強度測定の結果をもとに、フィッティングを行い、各y座標におけるx軸方向の光強度分布を求める。MATLAB（登録商標）上でfitgaussian関数を用いて、各y座標の結果からそれぞれフィッティングを行った。光強度のモデル式を式(2)に示す。
　フィッティングの結果得られた各パラメータを表７、光強度の関数グラフを図１９に示す。
　bの値とdの値が小さいことから、フィッティングデータは光軸とのずれおよび分布の偏りがほとんどないことがわかる。また、y座標の値が大きくなるほど最大値は小さくなり、より広範囲に分布し、最小値はやや大きくなっている。これはレンズによる集光が、焦点に光を集めてその後薄く広がる特性をもつためであり、得られたフィッティング結果は期待通りのフィッティング結果と言える。以上の方法によって光強度の分布をxの関数として求めることができた。設定した可視光強度をこの紫外光の関数で除することで、可視光と紫外光の比率もxの関数として表すことができる。これをCFDシミュレーションに組み込み、光強度分布から流路内の細かな粘度の違いと、それに伴う流路内流れの変化をシミュレーションで再現する。以降の実施例では本実施例の結果を使用して、様々な可視光と紫外光の比率に対して行ったPRFの粘度測定の結果をまとめる。
実施例５　PRFに対する光強度比（紫外光／可視光（％））の影響
　PRF は次の手順で作成した。ホットプレートで水を50℃に加熱し、そこにACA を4.0 mM/L を加え、さらにNaOH を 4.4 mM/L加えた、さらにリポソカード O/12 （ジ POE(2)オレイルメチルアンモニウム）を4.5 mM/L加え、混合液を50℃に保ったまま、ミキサーを用いて30分間 300 rpm で混合した。その後、ホットプレートを停止して2分間 600 rpm で混合し、最後に200 rpm で12時間混合した。得られたPRF をピペットで秤量し電子天秤で質量を測定し、PRFの粘度は1133kg/m3と計算された。
　レオメータ（HR 10, TA instruments, Inc）を使用してPRFの粘度を測定した。測定でPRFに光を照射するためのセットアップを図２０に示す。PRFを変性させるための光源として、紫外光源２(SOLIS-365C,Thorlabs, Inc)、可視光源３(SOLIS-445C, Thorlabs, Inc)使用した。紫外光源２から発せられた紫外光及び可視光源３から発せられた可視光は、平面ミラー６で上向きに反射され、PRF７に照射される。すべての粘度測定は表８に示す条件のもとで測定し、可視光と紫外光の比率を変えて、表９の条件下での粘度測定を追加で行った。紫外線は1.26mW/mm2に設定した。結果を図２１に示す。
　可視光の比率が低下するにつれて粘度が増加し、PRF の特性として期待していた結果が得られた。また、粘度が高まるにつれてせん断減粘性の傾向がより顕著に現れていることから、せん断速度が小さいほど、可視光の比率の差による粘度の変化が大きくなると考えられる。一方で、可視光の比率が高い領域では、可視光の違いによる粘度の差は小さく、特に比率が100%のときの粘度は、可視光のみを照射した場合の値とほぼ一致していた。
実施例６
　光強度が及ぼすマイクロ流体流路への影響を正確にシミュレーションするためには、PRF の粘度特性を、せん断速度と、可視光と紫外光の比率とを引数として持つ２変数関数に表現する必要がある。そのために、まず、各光強度の比率の粘度測定結果を、実施例２の式（１）のカロー流体モデルへフィッティングし、それぞれの粘度特性をせん断速度の関数
で表現した。
　そうして得られた2 次元粘度関数から、可視光と紫外光の比率α%を引数として４次の多項式関数にフィッティングし、せん断速度、可視光と紫外光の比率、粘度の三軸を持つ３次元空間上へプロットした。その後、三次元空間でのプロットデータをもとに多項式関数へフィッティングすることで、粘度特性を２変数関数で表した。フィッティングモデルを式（４）で示す。
フィッティングはMATLAB（登録商標）のpolyfit 関数を使用した。フィッティングに用いたデータから得られた各係数を表１０に、フィッティング結果を図２２に示す。元データの結果と比較しても大きくずれていないため十分にフィッティングできていると判断し、以降のCFD シミュレーションでは、PRF の粘度を、得られたパラメータを用いて２変数関数で設定した。
実施例７　流路内流れの CFD シミュレーション
　実施例６では、せん断速度と紫外光に対する可視光の比率との２変数関数として、PRF の粘度特性を表現した。これらのデータをもとに、光照射による流路内流れの制御を影響をシミュレーション上で再現した。使用したソフトは COMSOL Multiphysics（登録商標）であり、使用モジュールはLaminar Flow である。
　図２３がシミュレーション領域である。黒丸を原点とし、原点から長さ (x 軸)7mm、幅(y 軸)3mm、深さ(z 軸)0.3mm で設定した。流路内はPRF で満たされており、流入口は原点を通る流路断面、流出口は幅2mm、長さ1.5mm でフィレットの半径を0.5mm として、流路上面に設定した。また、流入口から流れる流速は0.05mm/s、流出口にかかる力は0、領域境界は滑り無しであると設定し、定常状態となった時の流路内のPRF の流れをシミュレーションした。
　図２３に示すように、PRF が満ちたマイクロ流体流路内全体に可視光を照射し、流路内の一部に平凸レンズで紫外光を照射した状況をシミュレートした。
　次に、シミュレーション上に設定した可視光及び紫外光照射の強度分布に関して示す。このシミュレーションでは、可視光は流路全体に一様に、紫外光は流路内のx=1.5～4.5mmの範囲に、y=1.5mmが中心となるように照射される場合の流路内流れをシミュレートする。その状況を示す簡略図を図２４に示す。
　図のようにレンズと流路を平行に設置して照射する場合，紫外光強度の分布については，x 軸方向では一定、z 軸方向についても高さが0．3mm と小さく、測定結果から光分布は大きく変わらないと判断しｙの値でのみ変化する関数で表した。したがって紫外光が照射される領域には、ガウス関数フィッティングの結果をもとに、ｙの関数を設定した。ここで使用する関数には、レンズとの距離に対応した光強度関数を用いるため、レンズと流路の距離も考慮した流れシミュレーションも行うことができる。
　また、可視光は一様に分布しているため、紫外光が照射される領域では可視光と紫外光の比率もｙの関数として扱うことができる。ただし、PRF の粘度測定結果から，可視光の比率が100%以上になる場合、可視光のみを照射した時の粘度とほぼ一致することが確認されているため，紫外光の照射領域内で，可視光の比率が100%を超える範囲では，可視光比率は100%で一定と設定した。これらをもとに、流路内の光強度分布を次のように定義した。流路内のx=1.5～4.5mm の範囲では，可視光と紫外光の比率がｙ軸方向の値に応じて変化し，可視光の比率が100%を超える場合は比率100%で一定値となる。また，x=０～1.5、4.5～7mmの範囲では可視光のみが照射される。この場合の粘度特性は、可視光の比率が常に100%の時の粘度特性とみなしても問題はないと判断し、そのように設定した。以上の設定に基づき，流路内の光強度の分布を関数で表現した。さらにこの関数を、レンズとの距離に応じた関数に適宜変更することで、レンズと流路の距離の影響も考慮したシミュレーションを実現できる。
　本シミュレーションで比較するシミュレーション環境を表１１に示す。
　0. 038mW/mm2、0.126mW/mm2は、レンズの焦点距離における最大紫外光強度の3%、10%に相当し、0.012mW/mm2、0.038mW/mm2レンズの焦点距離+3mm における最大外光強度のおおよそ3%、10%に相当する。即ち、１、２と３、４のシミュレーションでは、どちらも可視光強度の設定のみが変更されている。この結果を比較することで、紫外光に対する可視光の比率の違いが流体流れにもたらす影響を比較できる。また、１、２の流れへの影響と３、４の流れへの影響をさらに比較することで、レンズの距離による光強度変化の影響の大小を考察できると考えられる。１、３と２、４のシミュレーションでは、レンズと流路の距離に応じた最大紫外光強度に対する可視光強度の比率を同等に設定したため、高粘度域の粘度は同程度になり、レンズとの距離に対応する紫外光の分布のみが異なる。この結果を比較することで、光の分布の違いが流体流れにもたらす影響をシミュレートすることができる。
  以上に示したようなシミュレーション環境でシミュレートすることによって、可視光強度の設定値およびレンズを用いた紫外光強度の分布による流体流れへの影響を予測することができると考えられる。
  表１１に示した１～４の条件下でそれぞれシミュレーションを行い、流路中央(z=0.15mm)の流れ、粘度特性の結果を得た。はじめに，速度分布およびストリームラインを可視化し、各条件下での速度分布と流路内流れを比較した。その結果を図２５（Ａ）～（Ｄ）に示す。
　条件１，２では可視光の比率によって、高粘度領域の範囲及び流速に差が生じており、可視光の比率が低い１の方が流れへの影響が大きいと言える。条件３，４では流速が遅い領の範囲の幅にそれほど差はないが、可視光の比率が低い４の方が流れへの影響が大きいことがわかる。また、ストリームラインから，１，２，４の条件下で、流路中央を通る流量は少なく、特に１ではほとんど流れていないことがわかる。
実施例８　実際の機器を用いた実験
　実施例７に関し、同様の条件で実機実験も行った。図１に示すマイクロ流体デバイスを使用した。マイクロ流体流路にはPRF とトレーサー粒子（UVPMS-BG-1.00 10-20um - 0.1g,Cospheric. Inc）とを30:1 の割合で混ぜた流体を流した。その際、マイクロシリンジポンプ（YSP-201, YMC, Inc）を用いて、0.05mm/sで流量を調整し、チューブを介して流路内へ流した。紫外光及び可視光を照射させながら流体を流し、流路高さ方向について中心の粒子の様子を確認して、流れの様子が定常状態になったと判断したら、録画を開始した。目視できるトレーサー粒子からいくつかの粒子を選定し、30 フレームごとの粒子の移動量を平均し、それぞれの粒子のy座標及び流速を求めた。
　実施例７のシミュレーションのフィッティング図（図２６（Ａ））と実施例６の実験結果のフィッティング図（図２６（Ｂ））に示す。フィッティングそれぞれ式（５）のガウス関数を用いて行った。Condition 1～4はそれぞれ同じ可視光強度、同じレンズと流路の距離の条件を示しており、フィッティング図はおおむね一致した。最低流速が遅いことは流れへの影響が大きいことを示しており、実験上で流れの影響が確認でき、可視光及び紫外光照射強度がマイクロ流体流れに及ぼす影響を評価することができた。
　表１２は各フィッティングで得られた係数である。
　フィッティングで得られた係数a、b、c、d、eはそれぞれ、振幅の大きさ、流路中央とのずれ、低流速域範囲の幅、非対称性、最高流速をおおよそ表す。
　フィッティング図を比較すると、おおむね形状は一致し、高粘度域の流速も同程度であることから、シミュレーション上で実験環境をある程度再現できており、シミュレーションの結果が妥当であることを示せた。
　１…マイクロ流体デバイス。２…第１の光源、３…第２の光源、４…遮蔽部材、１３…入口、１４…出口、１００…マイクロ流体デバイスにおける流体の流れを制御するためのシステム。

Claims (16)

  1. 　マイクロ流体デバイスにおける流体の粘度を制御するためのシステムであって、
    　流体を収容するためのマイクロ流体収容部を備えたマイクロ流体デバイスと、
    　前記マイクロ流体収容部に収容されたフォトレオロジー流体と、
    　前記フォトレオロジー流体に第１の光線を照射するための第１の光源と、
    　前記フォトレオロジー流体に第１の光線とは波長が異なる第２の光線を照射するための第２の光源と、を備え、
    　前記第１の光源が、前記マイクロ流体収容部内の前記フォトレオロジー流体に、前記第１の光線を照射し、前記第２の光源が、前記第１の光線を照射している領域における前記フォトレオロジー流体の一部に第２の光線を照射するよう構成されている、システム。
  2. 　前記フォトレオロジー流体は、光反応性化合物を含有する請求項１に記載のシステム。
  3. 　前記マイクロ流体収容部が、入口及び出口を有するマイクロ流体流路を備え、
    　前記第１の光源が、前記マイクロ流体流路を流れる前記フォトレオロジー流体に、前記第１の光線を照射し、
    　前記第２の光源が、前記第１の光線を照射された前記フォトレオロジー流体の一部に、前記入口のうちの少なくとも１つの入口から前記出口のうちの少なくとも１つの出口までの経路に沿って第２の光線を照射し、それにより、第２の光線を照射された前記フォトレオロジー流体が前記入口から前記出口のうちの少なくとも１つの出口に向かって移動する、請求項１に記載のシステム。
  4. 　前記第２の光源が、
    （ｉ）前記入口のうちの少なくとも１つの入口から前記マイクロ流体流路内の第１位置までの経路に沿って第２の光線を照射する第２の光源と、
    （ｉｉ）前記マイクロ流体流路内の第２位置から前記出口のうちの少なくとも１つの出口までの経路に沿って、第２の光線を照射する第２の光源と、
    （ｉｉｉ）前記第１位置と前記第２位置が異なる場合には、前記第１位置から前記第２位置までの経路に沿って第２の光線を照射する１つ又は複数の第２の光源とを備え、前記第１位置と前記第２位置が同じである場合には、（ｉｉｉ）の第２の光源は存在せず、
    （ｉ）の第２の光線の照射方向と（ｉｉ）の第２の光線の照射方向は異なる、請求項３に記載のシステム。
  5. 　フォトレオロジー流体が、第１の光線を照射したフォトレオロジー流体中ではブラウン運動が抑制又は停止され、かつ第２の光線を照射したフォトレオロジー流体中ではブラウン運動により漂流できる粒子をさらに含有する、請求項１に記載のシステム。
  6. 　前記第１の光源及び第２の光源の組み合わせが、
    　紫外線を照射するための紫外光源と可視光線を照射するための可視光源であるか、
    　第１の波長を有する可視光線を照射する可視光源と第１の波長とは異なる第２の波長を有する可視光線を照射する可視光源であるか、又は
    　第１の波長を有する紫外線を照射する紫外光源と第１の波長とは異なる第２の波長を有する紫外線を照射する紫外光源である、請求項１に記載のシステム。
  7. 　マイクロ流体デバイスと第２の光源の間に配置された、第２の光線を選択的に透過又は収束させる部材をさらに備える請求項１に記載のシステム。
  8. 　マイクロ流体デバイスにおける流体の粘度を制御する方法であって、前記マイクロ流体デバイスは、流体を収容するためのマイクロ流体収容部を備え、前記方法は、
    　前記マイクロ流体収容部内のフォトレオロジー流体に、第１の光源により、第１の光線を照射する工程と、
    　前記第１の光線を照射する工程の間に、第１の光線を照射している領域における前記フォトレオロジー流体の一部に、第２の光源により、第１の光線とは波長が異なる第２の光線を照射する工程であって、第２の光線を照射された前記フォトレオロジー流体の部分の粘度が、第２の光線が照射されていない前記フォトレオロジー流体の部分の粘度に対して変化する工程と、
    を含む方法。
  9. 　前記フォトレオロジー流体は、光反応性化合物を含有する請求項８に記載の方法。
  10. 　前記マイクロ流体収容部が、入口及び出口を有するマイクロ流体流路を備え、
    　前記第２の光線を照射する工程は、前記マイクロ流体流路を流れる前記フォトレオロジー流体の一部に、前記入口のうちの少なくとも１つの入口から前記出口のうちの少なくとも１つの出口までの経路に沿って前記第２の光線を照射し、それにより、第２の光線を照射された前記フォトレオロジー流体が前記入口のうちの少なくとも１つの入口から前記出口のうちの少なくとも１つの出口に向かって移動することを含む、請求項８又は９に記載の方法。
  11. 　前記第２の光線を照射する工程が、それぞれ別の第２の光源により、
    （ｉ）前記入口のうちの少なくとも１つの入口から前記マイクロ流体流路内の第１位置までの経路に沿って第２の光線を照射すること、
    （ｉｉ）前記マイクロ流体流路内の第２位置から前記出口のうちの少なくとも１つの出口までの経路に沿って、第２の光線を照射すること、
    （ｉｉｉ）前記第１位置と前記第２位置が異なる場合には、前記第１位置から前記第２位置までの経路に沿って第２の光線を照射すること、
    を備え、前記第１位置と前記第２位置が同じである場合には、（ｉｉｉ）の第２の光源は存在せず、（ｉ）の第２の光線の照射方向と（ｉｉ）の第２の光線の照射方向は異なる、請求項１０に記載の方法。
  12. 　フォトレオロジー流体が、第１の光線を照射したフォトレオロジー流体中ではブラウン運動が抑制又は停止され、かつ第２の光線を照射したフォトレオロジー流体中ではブラウン運動により漂流できる粒子をさらに含み、第２の光線を照射する工程において、第２の光線を照射されたフォトレオロジー流体中の前記粒子は、ブラウン運動により漂流でき、第２の光線が照射されていないフォトレオロジー流体中の前記粒子はブラウン運動が抑制又は停止される、請求項８に記載の方法。
  13. 　前記第１の光源及び第２の光源の組み合わせが、
    　紫外線を照射するための紫外光源と可視光線を照射するための可視光源であるか、
    　第１の波長を有する可視光線を照射する可視光源と第１の波長とは異なる第２の波長を有する可視光線を照射する可視光源であるか、又は
    　第１の波長を有する紫外線を照射する紫外光源と第１の波長とは異なる第２の波長を有する紫外線を照射する紫外光源である、請求項８に記載の方法。
  14. 　前記第２の光線を照射する工程は、マイクロ流体デバイスと第２の光源の間に配置された、第２の光線を選択的に透過又は収束させる部材を介して第２の光線を照射することを含む請求項８に記載の方法。
  15. 　マイクロ流体流路を備えたマイクロ流体デバイスにおけるフォトレオロジー流体の流れをシミュレートするようコンピュータを動作させる方法であって、前記コンピュータが、
    　フォトレオロジー流体で満たされ、マイクロ流体流路の全体が第１の光線により照射される、マイクロ流体流路の領域を作成すること、
    　前記フォトレオロジー流体で満たされ、前記マイクロ流体収容部の一部が第２の光線により照射される、前記マイクロ流体収容部の領域を作成すること、及び
    　前記第１の光線及び／又は第２の光線の強度の制御により、フォトレオロジー流体の流れをシミュレートすること
    を行う方法。
  16. 　フォトレオロジー流体の粘度を、せん断速度と第２の光線に対する第１の光線の比率との２変数関数とし、前記第１の光線及び／又は第２の光線の強度の制御により、フォトレオロジー流体の流れをシミュレートする、請求項１５に記載の方法。
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