流体の制御方法
【課題】二つの流体を合流させる合流流路を有する流体デバイスにおいて、流体の界面位置が限定されず、かつ安定した界面を形成することができる流体の制御方法を提供する。
【解決手段】二つの流体を合流させる合流流路を有する流体デバイスを用いて、該合流流路で多層流を形成する流体の制御方法であって、前記合流流路に第一の流体を充填する第一の工程と、前記合流流路に前記第一の流体と第二の流体を導入して多層流を形成する第二の工程とを有し、前記第一の流体が前記第二の流体よりも合流流路の壁面での付着仕事が小さい流体の制御方法。
【解決手段】二つの流体を合流させる合流流路を有する流体デバイスを用いて、該合流流路で多層流を形成する流体の制御方法であって、前記合流流路に第一の流体を充填する第一の工程と、前記合流流路に前記第一の流体と第二の流体を導入して多層流を形成する第二の工程とを有し、前記第一の流体が前記第二の流体よりも合流流路の壁面での付着仕事が小さい流体の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細流路を用いた流体デバイス内の流体の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラスやプラスチック等の基板に微細流路を形成し、微量分析や診断、化学合成等をチップ上で行う方法がある。これらはμ−ＴＡＳやＬａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐ等と呼ばれ、注目されている。
【０００３】
本発明での微細流路とは層流が形成されるような条件を満たす流路である。
流体の状態を示す無次元数としてレイノルズ数というものが知られている。レイノルズ数はＲｅ＝ＵＬ／ν（Ｕ：特性速度［ｍ／ｓ］、Ｌ：特性長さ［ｍ］、ν：動粘度［ｍ２／ｓ］）で表される。レイノルズ数がおおよそ２０００より小さい時、流体は層流を形成することが知られている。
【０００４】
そのようなチップ内において複数の流体を導入し多層流を形成し、その多層流を利用して分離や合成を行う方法が各種提案されている。例えば、特許文献１においては分子の特異的な挙動の差を利用して特定の分子種を分離している。
この多層流の界面形成は主として界面張力によるものであるが、界面を安定させるのは難しく流体が不連続となるなどの問題があった。
【０００５】
そこで、多層流を安定化させる方法として多くの提案がされており、その方法を大別すると微細流路の構造によるものと、流路の表面処理によるものがあった。
特許文献２では、ガイド構造を有することにより界面を安定させる方法が考案されている。しかしながら、ガイド位置近傍に界面が限定されてしまうという問題がある。
【０００６】
また、特許文献３では微細流路の壁面全面を両親媒性表面処理する方法が考案されている。この方法では高い安定性を実現できるが、経時変化や個体差があるといった問題がある。
【特許文献１】特開２００５−２６２１９９号公報
【特許文献２】特開２００５−１５６５００号公報（第５頁、図５）
【特許文献３】特開２００５−３３１２８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、少なくとも二つの流体を合流させる合流流路を有する流体デバイスにおいて、流体の界面位置が限定されず、かつ安定した界面を形成することができる流体の制御方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための流体の制御方法は、二つの流体を合流させる合流流路を有する流体デバイスを用いて、該合流流路で多層流を形成する流体の制御方法であって、前記合流流路に第一の流体を充填する第一の工程と、前記合流流路に前記第一の流体と第二の流体を導入して多層流を形成する第二の工程とを有し、前記第一の流体が前記第二の流体よりも合流流路の壁面での付着仕事が小さいことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、二つの流体を合流させる合流流路を有する流体デバイスにおいて、流体同士の界面位置が限定されず、かつ安定した界面を形成することができる流体の制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明に係る流体の制御方法は、二つの流体を合流させる合流流路を有する流体デバイスを用いて、該合流流路で多層流を形成する流体の制御方法であって、前記合流流路に第一の流体を充填する第一の工程と、前記合流流路に前記第一の流体と第二の流体を導入して多層流を形成する第二の工程とを有し、前記第一の流体が前記第二の流体よりも合流流路の壁面での付着仕事が小さいことを特徴とする。
【００１１】
前記多層流の一つの流体層に光を伝播させて標的物の検出を行う工程を有することが好ましい。
前記合流流路の壁面に設置された反応物と、流体内の反応物を反応させる工程を有することが好ましい。
【００１２】
前記合流流路の前記第一の流体と第二の流体の界面の位置を計測し、該界面の位置に基づいて前記第一の流体および第二の流体の少なくとも一つの流体の導入量を調整することが好ましい。
【００１３】
前記第一および第二の流体の少なくとも一つに含まれている物質を、分離または抽出する工程を有することが好ましい。
【００１４】
本発明において、付着仕事とは、単位面積の固体表面から液体を引き離す仕事のことを示す。
【００１５】
図１は界面張力と接触角の関係を示す図である。図１で１は固体（基板）であり、２は気体、３は液体である。４は固−気界面張力（γＳ）、５は気−液界面張力（γＬ）、６は固−液界面張力であり（γＳＬ）、７は接触角（θ）である。
【００１６】
界面張力の釣り合いを示す式として、次に示すヤング（Ｙｏｕｎｇ）の式が知られている。
【００１７】
【数１】
【００１８】
一方、付着仕事（Ｗａ）を示す式として、次に示すデュプレ（Ｄｕｐｒｅ）の式が知られている。
【００１９】
【数２】
【００２０】
これらの式から、γＬとγＳＬを消去すると、次に示すヤング−デュプレ（Ｙｏｕｎｇ−Ｄｕｐｒｅ）の式が得られる。
【００２１】
【数３】
【００２２】
付着仕事が大きいと流体が基板から引き離れにくくなり安定となる。したがって、付着仕事が大きい流体を充填した後に付着仕事が小さい流体を導入すると、後から導入した流体は基板から離れるように流れやすくなるため制御が難しい。一方、付着仕事が小さい流体を充填した後に付着仕事が大きい流体を導入すると、後から導入した流体は基板に沿って流れやすくなるため、制御が容易となり安定な界面を形成しやすくなる。
【００２３】
このように安定した界面を形成するため、本発明の第一の工程においては二流体のうち、より付着仕事が小さい流体を充填する。次に第二の工程において前記流体ともう一方の流体を導入し多層流を形成する。第一の工程および第二の工程の流量は任意の流量に調整することが可能なため、界面位置が限定されず、かつ安定な界面を形成することが出来る。
【００２４】
例として、第一の流体がシリコーンオイル、第二の流体が水、合流流路の流路壁が表面未処理のガラスである場合を考える。この流路壁は、図１の固体１と対応する。
シリコーンオイルの表面張力は０．０４７Ｎ／ｍ、ガラスとの接触角は１７°である。また、水の表面張力は０．０７２Ｎ／ｍ、ガラスとの接触角は２６°である。
【００２５】
それぞれの付着仕事を求めると、シリコーンオイルは０．０９２Ｊ／ｍ２、水は０．１４Ｊ／ｍ２となり、シリコーンオイルの方が付着仕事が小さい。したがってこの場合は、第一の工程でシリコーンオイルを導入する。
【００２６】
また、接触角７は固体１の表面状態によって大きく変わる。例えば、汚れたガラスでは清浄なガラスに比べ水との接触角が大きくなる。また、ガラス表面に撥水処理を行うと、水との接触角は９０°より大きくなる。この場合、付着仕事はシリコーンオイルと比べて水の方が小さくなり、第一の工程では水を導入することとなる。
【００２７】
ここでは、流体をシリコーンオイルと水、流路壁をガラスとして説明してきたが他の物質であってもよい。
【実施例】
【００２８】
以下、実施例を示して本発明を具体的に説明する。
【００２９】
実施例１
図２から図９を用いて本発明における第一の実施例を説明する。
【００３０】
図２は流体層に光を伝播させて検出を行うマイクロ流体デバイスの装置構成図である。図２において、８ａは第一の流体、８ｂは第二の流体である。
９ａは第一の流量調整手段で１０ａ、１１ａから構成される。１０ａは第一のポンプで、不図示のリザーバに充填されている第一の流体８ａを流す。１１ａは第一のバルブであり、第一の流体８ａの流量を調整する。９ｂは第二の流量調整手段で１０ｂ、１１ｂから構成される。１０ｂは第二のポンプで、不図示のリザーバに充填されている第二の流体８ｂを流す。１１ｂは第二のバルブであり、第二の流体８ｂの流量を調整する。
【００３１】
１２ａは第一の流体８ａの導入流路、１２ｂは第二の流体８ｂの導入流路であり、１３は合流流路である。１４は第一の流体８ａと第二の流体８ｂの界面である。１５は流路壁である。
【００３２】
１６はレーザによる入射光を示しており、合流流路１３内の流体８ｂの層を界面１４および流路壁１５で全反射しながら光が伝播していく。その際に流体８ａで観測されるエバネッセント光を用いて、流体８ａ内の不図示の標的物を検出することが可能である。
【００３３】
波長が一定であれば導波路となる流体８ｂの屈折率および幅、検出路となる流体８ａの屈折率および幅、流路基板の屈折率の諸条件で伝播モードが決定する。本実施例で流体８ｂの幅を狭くする理由は、流体８ｂの幅以外の諸条件が一定であれば、流体８ｂの幅が狭いほど低次の伝播モードとなりやすく、検出路となる流体８ａで観測されるエバネッセント光の入射光全体に占める割合がより大きくなるからである。
【００３４】
よって、導波路となる流体８ｂにおいて基本モードがカットオフとなる幅近傍を除けば、流体８ｂの幅が狭いほうが流体８ａで生じた屈折率の変化をより高感度に検出することが可能になる。
【００３５】
図３は本実施例の処理手順のフローチャートである。
Ｓ１で二つの流体の内、合流流路の流路壁での付着仕事がより小さい流体で合流流路１３を満たす第一の工程の後、Ｓ２でもう一方の流体を導入し多層流を形成する第二の工程を行う。次にＳ３で流体内の検体を検出する検出工程を行う。
【００３６】
第一の実施例では、第二の工程後に入射光１６を入射させ、流体８ａで観測されるエバネッセント光を用いて、流体８ａ内の標的物を検出する。
図４は、流体層に光を伝播させて検出を行うマイクロ流体デバイスの第一の工程を示す図である。本実施例の第一の工程においては、第一の流体８ａと第二の流体８ｂの内、より合流流路の流路壁での付着仕事が小さい流体のみを合流流路１３に導入する。本実施例では第二の流体８ｂを第二の流量調整手段９ｂを用いて第二の流体の導入流路１２ｂを通じて送液し、合流流路１３を充填させる。この時第一の流体８ａは第一の流量調整手段９ａにより送液されないようにする。
【００３７】
図５は、流体層に光を伝播させて検出を行うマイクロ流体デバイスの第二の工程を示す図である。
本実施例の第二の工程においては、第二の流体８ｂが充填された合流流路１３に第一の流体８ａを第一の流量調整手段９ａを用い、第一の導入流路１２ａを通じて導入する。この時、第二の流体８ｂは前記第一の工程から引き続き第二の流量調整手段９ｂによって前記第一の工程と同じ流量で導入される。
【００３８】
図６はシミュレーションに用いた流路の二次元モデルである。第一の流体の導入流路１２ａ、第二の流体の導入流路１２ｂおよび合流流路１３の幅は１００μｍであり、導入流路１２ａ、１２ｂ間の角度は２２．６°、導入流路１２ａ、１２ｂの長さは５５０μｍ、合流流路１３の長さは２２５０μｍとなっている。
【００３９】
ところで、多層流を形成する際に二つの流体を同時に流した場合には、どちらかの流体が不連続となる場合がある。それを解決する方法として一方の流体を合流流路１３に充填してから両方の流体を流す方法が考えられる。ここで不連続とは図７のように流体が千切れた状態を指す。図７では第二の流体８ｂが千切れ、球状で合流流路１３を流れている。
【００４０】
図７、８、９は第一の流体として水、第二の流体としてシリコーンオイルを用いたシミュレーション結果であり、図７は不連続な状態を示すシミュレーション図、図８は第一の工程のシミュレーション図、図９は第二の工程のシミュレーション図である。
【００４１】
シミュレーションの初期状態として、導入流路１２ａ及び合流流路１３には第一の流体（水）８ａが充填され、導入流路１２ｂには第二の流体（シリコーンオイル）８ｂが充填されている状況を考える。前述のようにこの二流体ではシリコーンオイルの方が合流流路の流路壁での付着仕事が小さい。
【００４２】
図７は前記状態から水の単位深さ当たりの質量流量５．０×１０−４ｋｇ／ｓ・ｍ、シリコーンオイルの単位深さ当たりの質量流量１．０×１０−４ｋｇ／ｓ・ｍを与え、両流体を流し始めてから約０．９５秒後の状態である。
【００４３】
このように最初に付着仕事の大きい流体が合流流路に充填されている場合では、流体８ｂが不連続となり、安定な層流を形成することができないことがある。
【００４４】
図８は初期状態として、導入流路１２ａには水が充填され、導入流路１２ｂ及び合流流路１３にはシリコーンオイルが充填されている状態であり、本発明の第一の工程に対応するものである。
【００４５】
図９は図８の状態から、水の単位深さ当たりの質量流量５．０×１０−４ｋｇ／ｓ・ｍ、シリコーンオイルの単位深さ当たりの質量流量１．０×１０−４ｋｇ／ｓ・ｍを与えて両流体を流した時の約０．９５秒後の状態であり、本発明の第二の工程に対応するものである。
【００４６】
同じ質量流量の図７に対し、図９では安定な界面が形成されている。
このように、付着仕事の大きい流体が合流流路１３に充填されている場合に比べ、第一の工程、第二の工程を経る本発明ではより安定な界面を築くことができる。
【００４７】
本実施例で使用する第一の流体８ａ、第二の流体８ｂは、第二の流体８ｂが第一の流体８ａより付着仕事が小さい必要がある。さらに第一の流体８ａおよび流路壁の材質の屈折率より第二の流体８ｂの屈折率が大きく、使用している入射光１６の波長において吸収が少ない流体であればどのような流体でもよい。使用する流体は不混和性液体がより望ましく、例えば第一の流体８ａが水、第二の流体８ｂがシリコーンオイルである。
【００４８】
本実施例の第二の工程では第二の流体の流量を第一の工程での流量に固定しているが、第二の流量調整手段２ｂにより流量を調整してもよい。
【００４９】
第二の工程の後、図２に示すようにレーザによる入射光１６を第二の流体８ｂに入射させ、界面１４および流路壁１５で全反射しながら光が伝播する際に流体８ａで観測されるエバネッセント光を用いて、流体８ａ内の不図示の標的物を検出する検出工程を行う。
【００５０】
例えば、標的物は蛍光標識されたＰＣＲ産物であり、流体８ａで観測されるエバネッセント光を用いて蛍光検出を行う。ただし、標的物は他の物でもよく、検出方法は他の方法であってもよい。
【００５１】
本実施例ではエバネッセント光を有効に利用するために、流体８ｂの幅を薄くする必要がある。幅は理論式により理論値を算出することができる。
例えば流体８ａ内を流れている検体の蛍光検出を行う場合には、流体８ａ内に侵入するエバネッセント光が全入射光に占める割合が増加し、エバネッセント領域内における光量が増加するほどより高感度に検出できる。
【００５２】
実効屈折率を求めてマクスウェル方程式を解くと、導波路内を伝播する光の電界分布が算出でき、エバネッセント領域の入射光に占める割合を算出することができる。この割合が最大になる流体８ａの幅が理論上の最適の幅となる。
【００５３】
ここで、実効屈折率は、各流体の屈折率、幅、流体デバイス基板の屈折率、波長および流路形状の各値を規格化し、波長の分散関係を利用して数値解析により求める方法が知られている。
【００５４】
また、エバネッセント光を利用せず、第二の流体層を伝播する光を用いる検出方法であってもよい。
以上、本実施例によれば第一の工程において、二つの流体の内、合流流路の流路壁での付着仕事が小さい流体で合流流路を充填した後、二つの流体を導入して多層流を形成する第二の工程を経ることにより、二つの流体を同時に導入した時に見られる流体が不連続となる現象を抑制することができる。そのため、層流を利用し、第二の流体に伝播させた光を用いた検出ができる。
【００５５】
実施例２
図１０および図１１を用いて本発明における本実施例を説明する。
図１０は壁面と流体内の反応物を反応させるマイクロ流体デバイスの第一の工程を示す図である。
【００５６】
図１０において、１７は流路壁に設置された一本鎖ＤＮＡプローブであり、１８は第二の流体１ｂに含まれる一本鎖ＤＮＡで、蛍光標識されている。１７と１８は相補的であり、ハイブリダイゼーションが起こると不図示の光学検出手段により反応物の検出ができる。
【００５７】
本実施例の第一の工程においては、第一の流体８ａと第二の流体８ｂの内、より合流流路の流路壁での付着仕事が小さい流体のみを合流流路１３に導入する。本実施例では第一の流体８ａを第一の流量調整手段９ａを用いて第一の流体の導入流路１２ａを通じて送液し、合流流路１３を充填させる。この時第二の流体８ｂは第二の流量調整手段９ｂにより送液されないようにする。
【００５８】
図１１は、壁面と流体内の反応物を反応させるマイクロ流体デバイスの第二の工程を示す図である。本実施例の第二の工程においては、第一の流体８ａが充填された合流流路１３に第二の流体８ｂを第二の流量調整手段９ｂを用い、第二の流体の導入流路１２ｂを通じて導入する。この時、第一の流体８ａは前記第一の工程から引き続き流量調整手段９ａによって前記第一の工程と同じ流量で導入される。
【００５９】
第一の流体８ａ、第二の流体８ｂは不混和性流体が望ましく、また一本鎖ＤＮＡ１８が界面１４を越えて拡散しないような流体が望ましい。例えば、８ａがシリコーンオイル、８ｂが水溶性のバッファである。
【００６０】
本実施例の第二の工程では第一の流体の流量を第一の工程での流量に固定しているが、第一の流量調整手段９ａにより流量を調整してもよい。
第二の工程の後、一本鎖ＤＮＡプローブ１７と流体８ｂ内の一本鎖ＤＮＡ１８のハイブリダイゼーション工程を行う。
【００６１】
本実施例で幅を薄くする理由は、一本鎖ＤＮＡプローブ１７を設置した流路壁側の幅を狭くすると、一本鎖ＤＮＡ１８が１７と接触しハイブリダイズする確率が高まるためである。
【００６２】
流体の幅は、プローブの大きさよりも厚ければより薄いほうがよい。チップでハイブリダイゼーションを行う際の幅は一般的に５０μｍから２００μｍであり、これより薄ければ効果がある。
【００６３】
蛍光標識は一本鎖ＤＮＡ１８にされていたが、ＤＮＡプローブ１７にされていてもよく、インターカレータ方式を用いてもよいがこれに限定されない。
ＤＮＡプローブ１７、一本鎖ＤＮＡ１８にＲＮＡを用いてもよいが、これに限定されない。
【００６４】
ここまでハイブリダイゼーションについて説明してきたが、抗原抗体反応など他の反応を行ってもよく、これに限定されない。以上、蛍光標識を用いた検出方法について説明してきたが、化学発光を用いた検出方法であってもよく、また、光学検出に限定されない。
【００６５】
以上、第二の実施例によれば、幅が薄く安定な界面を築く事でマイクロデバイス内での反応をより効率的に行うことができる。
【００６６】
実施例３
図１２および図１３を用いて本発明における本実施例を説明する。
【００６７】
図１２は界面位置情報を利用し流量を調整するマイクロ流体デバイスの装置構成図である。
図１２において、１９は界面１４の位置を測定する界面位置計測手段であり、図１２においては合流流路１３がある平面より上方に位置している。２１は流量を制御する制御部で、界面位置計測手段１９から界面位置情報２０が入力され、第一の流体の流量情報２２ａと第二の流体の流量情報２２ｂを出力する。流量情報２２ａ、２２ｂは第一の流量調整手段９ａ、第二の流量調整手段９ｂにそれぞれフィードバックして所望の界面位置になるよう流量を調整する。
【００６８】
図１３は本実施例の処理手順のフローチャートである。
Ｓ１１の第一の工程、Ｓ１２の第二の工程の後、Ｓ１３で界面位置計測手段１９により界面位置の計測を行う。界面位置情報２０は制御部２１に入力され、Ｓ１４で界面１４が所望の位置にあるかどうかを判断し、所望の位置にあればＳ１３に戻ってそのまま送液を続けたまま界面位置の計測を繰り返す。所望の位置になければＳ１５で適切な流量比で所望の位置に界面を形成する工程を行ない、Ｓ１３に戻る。
【００６９】
界面位置計測手段１９は、例えば画像を基に界面位置を計測する方法がある。
第一の流体、第二の流体いずれかを着色、あるいはそれぞれを別の色に着色すれば判定が可能である。
【００７０】
また、両方無色の場合でも流体および基板の屈折率の違いを利用して、流体内に光を伝播させることにより計測が可能である。但し、第一と第二の流体は異なる屈折率を有し、かつ少なくとも一つの流体の屈折率は基板の屈折率より高い値を有する。
【００７１】
例えば、第一の流体が水（ｎ＝１．３３）、第二の流体が透明なシリコーンオイル（ｎ＝１．６）、流路壁の材質がガラス（ｎ＝１．５２）を用いた場合である。
その他の計測法として、界面に光を照射して得られる透過光の検出位置と第一の流体と第二の流体の屈折率の違いを基に変位を測定する方法などがあるが、これに限定されない。制御部２１は流量調整手段９ａ、９ｂと一体となっていてもよく、界面位置計測手段１９と一体になっていてもよい。
【００７２】
以上の実施例１から実施例３では、Ｙ字型の流路を使用しているが多層流を形成するための導入路があればよく、この形状に限定されない。また、導入路と合流流路の幅が同一であるが、例えば合流流路の幅が各導入流路の幅の総和であってもよく、これに限定されない。また、陽圧でポンプを使用しているが、合流流路の下流側にポンプを設置する場合は陰圧であってもよい。さらに、流出口が一つであるが、複数あってもよい。
【００７３】
流出口が複数ある場合については実施例４で後述する。
本実施例によれば、界面が所望の位置からずれていても修正ができる。
【００７４】
実施例４
図１４および図１５を用いて本発明における本実施例を説明する。
【００７５】
図１４は抽出を行うマイクロ流体デバイスの第一の工程を示す図である。図１４において、２３ａ、２３ｂは流出経路であり、２４は液体に溶解する物質であり、本実施例では油脂である。
【００７６】
本実施例の第一の工程においては、第一の流体８ａと第二の流体８ｂの内、より合流流路の流路壁での付着仕事の小さい流体のみを合流流路１３に導入する。本実施例では第一の流体８ａはノルマルヘキサン（ｎ−ヘキサン）、第二の流体８ｂは水、合流流路の流路壁はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）であると想定している。
【００７７】
ｎ−ヘキサンの表面張力は０．０１８Ｎ／ｍであり、ＰＴＦＥとの接触角は４１°である。また、水の表面張力は０．０７２Ｎ／ｍであり、ＰＴＦＥとの接触角は１０４°である。この時、ｎ−ヘキサンの付着仕事は０．０３２Ｊ／ｍ２、水の付着仕事は０．０５５Ｊ／ｍ２である。
【００７８】
したがって、本実施例の第一の工程では第一の流体８ａを第一の流量調整手段９ａを用いて第一の流体の導入流路１２ａを通じて送液し、合流流路１３を充填させる。この時第二の流体８ｂは第二の流量調整手段９ｂにより送液されないようにする。
【００７９】
図１５は、抽出を行うマイクロ流体デバイスの第二の工程を示す図である。本実施例の第二の工程においては、第一の流体８ａが充填された合流流路１３に第二の流体８ｂを第二の流量調整手段９ｂを用い、第二の流体の導入流路１２ｂを通じて導入する。この時、第一の流体８ａは前記第一の工程から引き続き流量調整手段９ａによって前記第一の工程と同じ流量で導入される。
【００８０】
本実施例の第二の工程では第一の流体の流量を第一の工程での流量に固定しているが、第一の流量調整手段９ａにより流量を調整してもよい。
第二の工程の後に抽出工程を行う。本実施例で幅を狭くする理由は、第二の流体８ｂの幅を狭くすると油脂２４が界面１４で第一の流体８ａと接触し、油脂が抽出される確率が高まるためである。
【００８１】
油脂の溶解度は水とｎ−ヘキサンではｎ−ヘキサンの方が大きいため、水中の油脂が界面でｎ−ヘキサンと接触するとｎ−ヘキサンの方に溶解する。よって、流出口２３ａでは油脂を抽出したｎ−ヘキサンが得られる。
【００８２】
本実施例では、第一の流体８ａおよび、第二の流体８ｂはそれぞれｎ−ヘキサン、水、であったが、これらに限定されない。また、流体に溶解する物質２４は油脂であったが、他の物であってもよく、溶解しない物質、例えば粒子であってもよい。
【００８３】
また、溶解物質が一種類の場合について説明してきたが、二種類以上でもよい。これは粒子の場合でも同様である。
本実施例では抽出について説明してきたが、二種類以上の粒子の分離であってもよい。分離の方法としては粒子径と流体幅を利用して分離する方法などがあるが、この方法に限定されない。
【００８４】
また、実施例４にて示した流路形状においても、実施例１から実施例３を行うことができる。
以上の実施例１から実施例４では流量調整手段９ａ、９ｂが流路内に組み込まれているが、流路の外側にあってもよい。流量調整手段はポンプとバルブが一体となっていてもよく、ポンプのみで構成されてもよい。さらに、ポンプやバルブが複数であってもよい。ポンプは、シリンジポンプ、ダイヤフラムポンプ、ローラーポンプ、真空ポンプなどを用いればよいが、これらに限定されない。
【００８５】
また、第一の工程において合流流路１３の流路壁での付着仕事の小さい流体を導入する際、流路内の空気のほとんどは流出口から放出されるが、一部がバルブ付近に気泡として残存する可能性がある。これは、例えばバルブ付近の流路壁にガス透過膜を設置することで防ぐことができる。
【００８６】
実施例４によれば、層流を利用し、流体中の溶解物質あるいは粒子を抽出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明の流体の制御方法は、二つの流体を合流させる合流流路を有する流体デバイスにおいて、流体同士の界面位置が限定されず、かつ安定した界面を形成することができるので、μ−ＴＡＳやＬａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐを用いた検出や分析に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】界面張力と接触角の関係を示す図である。
【図２】流体層に光を伝播させて検出を行うマイクロ流体デバイスの装置の構成図である。
【図３】処理手順のフローチャートを示す図である。
【図４】流体層に光を伝播させて検出を行うマイクロ流体デバイスの第一の工程を示す図である。
【図５】流体層に光を伝播させて検出を行うマイクロ流体デバイスの第二の工程を示す図である。
【図６】シミュレーションに使用した二次元モデルを示す図である。
【図７】不連続な状態を示すシミュレーションを示す図である。
【図８】第一の工程のシミュレーションを示す図である。
【図９】第二の工程のシミュレーションを示す図である。
【図１０】壁面と流体内の反応物を反応させるマイクロ流体デバイスの第一の工程を示す図である。
【図１１】壁面と流体内の反応物を反応させるマイクロ流体デバイスの第二の工程を示す図である。
【図１２】界面位置情報を利用し流量を調整するマイクロ流体デバイスの装置の構成図である。
【図１３】処理手順のフローチャートを示す図である。
【図１４】抽出を行うマイクロ流体デバイスの第一の工程を示す図である。
【図１５】抽出を行うマイクロ流体デバイスの第二の工程を示す図である。
【符号の説明】
【００８９】
１ 固体（基板）
２ 空気
３ 液体
４ 固−気界面張力
５ 気―液界面張力
６ 固―液界面張力
７ 接触角
８ａ 第一の流体
８ｂ 第二の流体
９ａ 第一の流体の流量調整手段
９ｂ 第二の流体の流量調整手段
１０ａ 第一のポンプ
１０ｂ 第二のポンプ
１１ａ 第一のバルブ
１１ｂ 第二のバルブ
１２ａ 第一の流体の導入流路
１２ｂ 第二の流体の導入流路
１３ 合流流路
１４ 界面
１５ 流路壁
１６ 入射光
１７ 一本鎖ＤＮＡプローブ
１８ 一本鎖ＤＮＡ
１９ 界面位置計測手段
２０ 界面位置情報
２１ 制御部
２２ａ 第一の流体の流量調整情報
２２ｂ 第二の流体の流量調整情報
２３ａ、２３ｂ 流出流路
２４ 液体に溶解する物質
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細流路を用いた流体デバイス内の流体の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラスやプラスチック等の基板に微細流路を形成し、微量分析や診断、化学合成等をチップ上で行う方法がある。これらはμ−ＴＡＳやＬａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐ等と呼ばれ、注目されている。
【０００３】
本発明での微細流路とは層流が形成されるような条件を満たす流路である。
流体の状態を示す無次元数としてレイノルズ数というものが知られている。レイノルズ数はＲｅ＝ＵＬ／ν（Ｕ：特性速度［ｍ／ｓ］、Ｌ：特性長さ［ｍ］、ν：動粘度［ｍ２／ｓ］）で表される。レイノルズ数がおおよそ２０００より小さい時、流体は層流を形成することが知られている。
【０００４】
そのようなチップ内において複数の流体を導入し多層流を形成し、その多層流を利用して分離や合成を行う方法が各種提案されている。例えば、特許文献１においては分子の特異的な挙動の差を利用して特定の分子種を分離している。
この多層流の界面形成は主として界面張力によるものであるが、界面を安定させるのは難しく流体が不連続となるなどの問題があった。
【０００５】
そこで、多層流を安定化させる方法として多くの提案がされており、その方法を大別すると微細流路の構造によるものと、流路の表面処理によるものがあった。
特許文献２では、ガイド構造を有することにより界面を安定させる方法が考案されている。しかしながら、ガイド位置近傍に界面が限定されてしまうという問題がある。
【０００６】
また、特許文献３では微細流路の壁面全面を両親媒性表面処理する方法が考案されている。この方法では高い安定性を実現できるが、経時変化や個体差があるといった問題がある。
【特許文献１】特開２００５−２６２１９９号公報
【特許文献２】特開２００５−１５６５００号公報（第５頁、図５）
【特許文献３】特開２００５−３３１２８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、少なくとも二つの流体を合流させる合流流路を有する流体デバイスにおいて、流体の界面位置が限定されず、かつ安定した界面を形成することができる流体の制御方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための流体の制御方法は、二つの流体を合流させる合流流路を有する流体デバイスを用いて、該合流流路で多層流を形成する流体の制御方法であって、前記合流流路に第一の流体を充填する第一の工程と、前記合流流路に前記第一の流体と第二の流体を導入して多層流を形成する第二の工程とを有し、前記第一の流体が前記第二の流体よりも合流流路の壁面での付着仕事が小さいことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、二つの流体を合流させる合流流路を有する流体デバイスにおいて、流体同士の界面位置が限定されず、かつ安定した界面を形成することができる流体の制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明に係る流体の制御方法は、二つの流体を合流させる合流流路を有する流体デバイスを用いて、該合流流路で多層流を形成する流体の制御方法であって、前記合流流路に第一の流体を充填する第一の工程と、前記合流流路に前記第一の流体と第二の流体を導入して多層流を形成する第二の工程とを有し、前記第一の流体が前記第二の流体よりも合流流路の壁面での付着仕事が小さいことを特徴とする。
【００１１】
前記多層流の一つの流体層に光を伝播させて標的物の検出を行う工程を有することが好ましい。
前記合流流路の壁面に設置された反応物と、流体内の反応物を反応させる工程を有することが好ましい。
【００１２】
前記合流流路の前記第一の流体と第二の流体の界面の位置を計測し、該界面の位置に基づいて前記第一の流体および第二の流体の少なくとも一つの流体の導入量を調整することが好ましい。
【００１３】
前記第一および第二の流体の少なくとも一つに含まれている物質を、分離または抽出する工程を有することが好ましい。
【００１４】
本発明において、付着仕事とは、単位面積の固体表面から液体を引き離す仕事のことを示す。
【００１５】
図１は界面張力と接触角の関係を示す図である。図１で１は固体（基板）であり、２は気体、３は液体である。４は固−気界面張力（γＳ）、５は気−液界面張力（γＬ）、６は固−液界面張力であり（γＳＬ）、７は接触角（θ）である。
【００１６】
界面張力の釣り合いを示す式として、次に示すヤング（Ｙｏｕｎｇ）の式が知られている。
【００１７】
【数１】
【００１８】
一方、付着仕事（Ｗａ）を示す式として、次に示すデュプレ（Ｄｕｐｒｅ）の式が知られている。
【００１９】
【数２】
【００２０】
これらの式から、γＬとγＳＬを消去すると、次に示すヤング−デュプレ（Ｙｏｕｎｇ−Ｄｕｐｒｅ）の式が得られる。
【００２１】
【数３】
【００２２】
付着仕事が大きいと流体が基板から引き離れにくくなり安定となる。したがって、付着仕事が大きい流体を充填した後に付着仕事が小さい流体を導入すると、後から導入した流体は基板から離れるように流れやすくなるため制御が難しい。一方、付着仕事が小さい流体を充填した後に付着仕事が大きい流体を導入すると、後から導入した流体は基板に沿って流れやすくなるため、制御が容易となり安定な界面を形成しやすくなる。
【００２３】
このように安定した界面を形成するため、本発明の第一の工程においては二流体のうち、より付着仕事が小さい流体を充填する。次に第二の工程において前記流体ともう一方の流体を導入し多層流を形成する。第一の工程および第二の工程の流量は任意の流量に調整することが可能なため、界面位置が限定されず、かつ安定な界面を形成することが出来る。
【００２４】
例として、第一の流体がシリコーンオイル、第二の流体が水、合流流路の流路壁が表面未処理のガラスである場合を考える。この流路壁は、図１の固体１と対応する。
シリコーンオイルの表面張力は０．０４７Ｎ／ｍ、ガラスとの接触角は１７°である。また、水の表面張力は０．０７２Ｎ／ｍ、ガラスとの接触角は２６°である。
【００２５】
それぞれの付着仕事を求めると、シリコーンオイルは０．０９２Ｊ／ｍ２、水は０．１４Ｊ／ｍ２となり、シリコーンオイルの方が付着仕事が小さい。したがってこの場合は、第一の工程でシリコーンオイルを導入する。
【００２６】
また、接触角７は固体１の表面状態によって大きく変わる。例えば、汚れたガラスでは清浄なガラスに比べ水との接触角が大きくなる。また、ガラス表面に撥水処理を行うと、水との接触角は９０°より大きくなる。この場合、付着仕事はシリコーンオイルと比べて水の方が小さくなり、第一の工程では水を導入することとなる。
【００２７】
ここでは、流体をシリコーンオイルと水、流路壁をガラスとして説明してきたが他の物質であってもよい。
【実施例】
【００２８】
以下、実施例を示して本発明を具体的に説明する。
【００２９】
実施例１
図２から図９を用いて本発明における第一の実施例を説明する。
【００３０】
図２は流体層に光を伝播させて検出を行うマイクロ流体デバイスの装置構成図である。図２において、８ａは第一の流体、８ｂは第二の流体である。
９ａは第一の流量調整手段で１０ａ、１１ａから構成される。１０ａは第一のポンプで、不図示のリザーバに充填されている第一の流体８ａを流す。１１ａは第一のバルブであり、第一の流体８ａの流量を調整する。９ｂは第二の流量調整手段で１０ｂ、１１ｂから構成される。１０ｂは第二のポンプで、不図示のリザーバに充填されている第二の流体８ｂを流す。１１ｂは第二のバルブであり、第二の流体８ｂの流量を調整する。
【００３１】
１２ａは第一の流体８ａの導入流路、１２ｂは第二の流体８ｂの導入流路であり、１３は合流流路である。１４は第一の流体８ａと第二の流体８ｂの界面である。１５は流路壁である。
【００３２】
１６はレーザによる入射光を示しており、合流流路１３内の流体８ｂの層を界面１４および流路壁１５で全反射しながら光が伝播していく。その際に流体８ａで観測されるエバネッセント光を用いて、流体８ａ内の不図示の標的物を検出することが可能である。
【００３３】
波長が一定であれば導波路となる流体８ｂの屈折率および幅、検出路となる流体８ａの屈折率および幅、流路基板の屈折率の諸条件で伝播モードが決定する。本実施例で流体８ｂの幅を狭くする理由は、流体８ｂの幅以外の諸条件が一定であれば、流体８ｂの幅が狭いほど低次の伝播モードとなりやすく、検出路となる流体８ａで観測されるエバネッセント光の入射光全体に占める割合がより大きくなるからである。
【００３４】
よって、導波路となる流体８ｂにおいて基本モードがカットオフとなる幅近傍を除けば、流体８ｂの幅が狭いほうが流体８ａで生じた屈折率の変化をより高感度に検出することが可能になる。
【００３５】
図３は本実施例の処理手順のフローチャートである。
Ｓ１で二つの流体の内、合流流路の流路壁での付着仕事がより小さい流体で合流流路１３を満たす第一の工程の後、Ｓ２でもう一方の流体を導入し多層流を形成する第二の工程を行う。次にＳ３で流体内の検体を検出する検出工程を行う。
【００３６】
第一の実施例では、第二の工程後に入射光１６を入射させ、流体８ａで観測されるエバネッセント光を用いて、流体８ａ内の標的物を検出する。
図４は、流体層に光を伝播させて検出を行うマイクロ流体デバイスの第一の工程を示す図である。本実施例の第一の工程においては、第一の流体８ａと第二の流体８ｂの内、より合流流路の流路壁での付着仕事が小さい流体のみを合流流路１３に導入する。本実施例では第二の流体８ｂを第二の流量調整手段９ｂを用いて第二の流体の導入流路１２ｂを通じて送液し、合流流路１３を充填させる。この時第一の流体８ａは第一の流量調整手段９ａにより送液されないようにする。
【００３７】
図５は、流体層に光を伝播させて検出を行うマイクロ流体デバイスの第二の工程を示す図である。
本実施例の第二の工程においては、第二の流体８ｂが充填された合流流路１３に第一の流体８ａを第一の流量調整手段９ａを用い、第一の導入流路１２ａを通じて導入する。この時、第二の流体８ｂは前記第一の工程から引き続き第二の流量調整手段９ｂによって前記第一の工程と同じ流量で導入される。
【００３８】
図６はシミュレーションに用いた流路の二次元モデルである。第一の流体の導入流路１２ａ、第二の流体の導入流路１２ｂおよび合流流路１３の幅は１００μｍであり、導入流路１２ａ、１２ｂ間の角度は２２．６°、導入流路１２ａ、１２ｂの長さは５５０μｍ、合流流路１３の長さは２２５０μｍとなっている。
【００３９】
ところで、多層流を形成する際に二つの流体を同時に流した場合には、どちらかの流体が不連続となる場合がある。それを解決する方法として一方の流体を合流流路１３に充填してから両方の流体を流す方法が考えられる。ここで不連続とは図７のように流体が千切れた状態を指す。図７では第二の流体８ｂが千切れ、球状で合流流路１３を流れている。
【００４０】
図７、８、９は第一の流体として水、第二の流体としてシリコーンオイルを用いたシミュレーション結果であり、図７は不連続な状態を示すシミュレーション図、図８は第一の工程のシミュレーション図、図９は第二の工程のシミュレーション図である。
【００４１】
シミュレーションの初期状態として、導入流路１２ａ及び合流流路１３には第一の流体（水）８ａが充填され、導入流路１２ｂには第二の流体（シリコーンオイル）８ｂが充填されている状況を考える。前述のようにこの二流体ではシリコーンオイルの方が合流流路の流路壁での付着仕事が小さい。
【００４２】
図７は前記状態から水の単位深さ当たりの質量流量５．０×１０−４ｋｇ／ｓ・ｍ、シリコーンオイルの単位深さ当たりの質量流量１．０×１０−４ｋｇ／ｓ・ｍを与え、両流体を流し始めてから約０．９５秒後の状態である。
【００４３】
このように最初に付着仕事の大きい流体が合流流路に充填されている場合では、流体８ｂが不連続となり、安定な層流を形成することができないことがある。
【００４４】
図８は初期状態として、導入流路１２ａには水が充填され、導入流路１２ｂ及び合流流路１３にはシリコーンオイルが充填されている状態であり、本発明の第一の工程に対応するものである。
【００４５】
図９は図８の状態から、水の単位深さ当たりの質量流量５．０×１０−４ｋｇ／ｓ・ｍ、シリコーンオイルの単位深さ当たりの質量流量１．０×１０−４ｋｇ／ｓ・ｍを与えて両流体を流した時の約０．９５秒後の状態であり、本発明の第二の工程に対応するものである。
【００４６】
同じ質量流量の図７に対し、図９では安定な界面が形成されている。
このように、付着仕事の大きい流体が合流流路１３に充填されている場合に比べ、第一の工程、第二の工程を経る本発明ではより安定な界面を築くことができる。
【００４７】
本実施例で使用する第一の流体８ａ、第二の流体８ｂは、第二の流体８ｂが第一の流体８ａより付着仕事が小さい必要がある。さらに第一の流体８ａおよび流路壁の材質の屈折率より第二の流体８ｂの屈折率が大きく、使用している入射光１６の波長において吸収が少ない流体であればどのような流体でもよい。使用する流体は不混和性液体がより望ましく、例えば第一の流体８ａが水、第二の流体８ｂがシリコーンオイルである。
【００４８】
本実施例の第二の工程では第二の流体の流量を第一の工程での流量に固定しているが、第二の流量調整手段２ｂにより流量を調整してもよい。
【００４９】
第二の工程の後、図２に示すようにレーザによる入射光１６を第二の流体８ｂに入射させ、界面１４および流路壁１５で全反射しながら光が伝播する際に流体８ａで観測されるエバネッセント光を用いて、流体８ａ内の不図示の標的物を検出する検出工程を行う。
【００５０】
例えば、標的物は蛍光標識されたＰＣＲ産物であり、流体８ａで観測されるエバネッセント光を用いて蛍光検出を行う。ただし、標的物は他の物でもよく、検出方法は他の方法であってもよい。
【００５１】
本実施例ではエバネッセント光を有効に利用するために、流体８ｂの幅を薄くする必要がある。幅は理論式により理論値を算出することができる。
例えば流体８ａ内を流れている検体の蛍光検出を行う場合には、流体８ａ内に侵入するエバネッセント光が全入射光に占める割合が増加し、エバネッセント領域内における光量が増加するほどより高感度に検出できる。
【００５２】
実効屈折率を求めてマクスウェル方程式を解くと、導波路内を伝播する光の電界分布が算出でき、エバネッセント領域の入射光に占める割合を算出することができる。この割合が最大になる流体８ａの幅が理論上の最適の幅となる。
【００５３】
ここで、実効屈折率は、各流体の屈折率、幅、流体デバイス基板の屈折率、波長および流路形状の各値を規格化し、波長の分散関係を利用して数値解析により求める方法が知られている。
【００５４】
また、エバネッセント光を利用せず、第二の流体層を伝播する光を用いる検出方法であってもよい。
以上、本実施例によれば第一の工程において、二つの流体の内、合流流路の流路壁での付着仕事が小さい流体で合流流路を充填した後、二つの流体を導入して多層流を形成する第二の工程を経ることにより、二つの流体を同時に導入した時に見られる流体が不連続となる現象を抑制することができる。そのため、層流を利用し、第二の流体に伝播させた光を用いた検出ができる。
【００５５】
実施例２
図１０および図１１を用いて本発明における本実施例を説明する。
図１０は壁面と流体内の反応物を反応させるマイクロ流体デバイスの第一の工程を示す図である。
【００５６】
図１０において、１７は流路壁に設置された一本鎖ＤＮＡプローブであり、１８は第二の流体１ｂに含まれる一本鎖ＤＮＡで、蛍光標識されている。１７と１８は相補的であり、ハイブリダイゼーションが起こると不図示の光学検出手段により反応物の検出ができる。
【００５７】
本実施例の第一の工程においては、第一の流体８ａと第二の流体８ｂの内、より合流流路の流路壁での付着仕事が小さい流体のみを合流流路１３に導入する。本実施例では第一の流体８ａを第一の流量調整手段９ａを用いて第一の流体の導入流路１２ａを通じて送液し、合流流路１３を充填させる。この時第二の流体８ｂは第二の流量調整手段９ｂにより送液されないようにする。
【００５８】
図１１は、壁面と流体内の反応物を反応させるマイクロ流体デバイスの第二の工程を示す図である。本実施例の第二の工程においては、第一の流体８ａが充填された合流流路１３に第二の流体８ｂを第二の流量調整手段９ｂを用い、第二の流体の導入流路１２ｂを通じて導入する。この時、第一の流体８ａは前記第一の工程から引き続き流量調整手段９ａによって前記第一の工程と同じ流量で導入される。
【００５９】
第一の流体８ａ、第二の流体８ｂは不混和性流体が望ましく、また一本鎖ＤＮＡ１８が界面１４を越えて拡散しないような流体が望ましい。例えば、８ａがシリコーンオイル、８ｂが水溶性のバッファである。
【００６０】
本実施例の第二の工程では第一の流体の流量を第一の工程での流量に固定しているが、第一の流量調整手段９ａにより流量を調整してもよい。
第二の工程の後、一本鎖ＤＮＡプローブ１７と流体８ｂ内の一本鎖ＤＮＡ１８のハイブリダイゼーション工程を行う。
【００６１】
本実施例で幅を薄くする理由は、一本鎖ＤＮＡプローブ１７を設置した流路壁側の幅を狭くすると、一本鎖ＤＮＡ１８が１７と接触しハイブリダイズする確率が高まるためである。
【００６２】
流体の幅は、プローブの大きさよりも厚ければより薄いほうがよい。チップでハイブリダイゼーションを行う際の幅は一般的に５０μｍから２００μｍであり、これより薄ければ効果がある。
【００６３】
蛍光標識は一本鎖ＤＮＡ１８にされていたが、ＤＮＡプローブ１７にされていてもよく、インターカレータ方式を用いてもよいがこれに限定されない。
ＤＮＡプローブ１７、一本鎖ＤＮＡ１８にＲＮＡを用いてもよいが、これに限定されない。
【００６４】
ここまでハイブリダイゼーションについて説明してきたが、抗原抗体反応など他の反応を行ってもよく、これに限定されない。以上、蛍光標識を用いた検出方法について説明してきたが、化学発光を用いた検出方法であってもよく、また、光学検出に限定されない。
【００６５】
以上、第二の実施例によれば、幅が薄く安定な界面を築く事でマイクロデバイス内での反応をより効率的に行うことができる。
【００６６】
実施例３
図１２および図１３を用いて本発明における本実施例を説明する。
【００６７】
図１２は界面位置情報を利用し流量を調整するマイクロ流体デバイスの装置構成図である。
図１２において、１９は界面１４の位置を測定する界面位置計測手段であり、図１２においては合流流路１３がある平面より上方に位置している。２１は流量を制御する制御部で、界面位置計測手段１９から界面位置情報２０が入力され、第一の流体の流量情報２２ａと第二の流体の流量情報２２ｂを出力する。流量情報２２ａ、２２ｂは第一の流量調整手段９ａ、第二の流量調整手段９ｂにそれぞれフィードバックして所望の界面位置になるよう流量を調整する。
【００６８】
図１３は本実施例の処理手順のフローチャートである。
Ｓ１１の第一の工程、Ｓ１２の第二の工程の後、Ｓ１３で界面位置計測手段１９により界面位置の計測を行う。界面位置情報２０は制御部２１に入力され、Ｓ１４で界面１４が所望の位置にあるかどうかを判断し、所望の位置にあればＳ１３に戻ってそのまま送液を続けたまま界面位置の計測を繰り返す。所望の位置になければＳ１５で適切な流量比で所望の位置に界面を形成する工程を行ない、Ｓ１３に戻る。
【００６９】
界面位置計測手段１９は、例えば画像を基に界面位置を計測する方法がある。
第一の流体、第二の流体いずれかを着色、あるいはそれぞれを別の色に着色すれば判定が可能である。
【００７０】
また、両方無色の場合でも流体および基板の屈折率の違いを利用して、流体内に光を伝播させることにより計測が可能である。但し、第一と第二の流体は異なる屈折率を有し、かつ少なくとも一つの流体の屈折率は基板の屈折率より高い値を有する。
【００７１】
例えば、第一の流体が水（ｎ＝１．３３）、第二の流体が透明なシリコーンオイル（ｎ＝１．６）、流路壁の材質がガラス（ｎ＝１．５２）を用いた場合である。
その他の計測法として、界面に光を照射して得られる透過光の検出位置と第一の流体と第二の流体の屈折率の違いを基に変位を測定する方法などがあるが、これに限定されない。制御部２１は流量調整手段９ａ、９ｂと一体となっていてもよく、界面位置計測手段１９と一体になっていてもよい。
【００７２】
以上の実施例１から実施例３では、Ｙ字型の流路を使用しているが多層流を形成するための導入路があればよく、この形状に限定されない。また、導入路と合流流路の幅が同一であるが、例えば合流流路の幅が各導入流路の幅の総和であってもよく、これに限定されない。また、陽圧でポンプを使用しているが、合流流路の下流側にポンプを設置する場合は陰圧であってもよい。さらに、流出口が一つであるが、複数あってもよい。
【００７３】
流出口が複数ある場合については実施例４で後述する。
本実施例によれば、界面が所望の位置からずれていても修正ができる。
【００７４】
実施例４
図１４および図１５を用いて本発明における本実施例を説明する。
【００７５】
図１４は抽出を行うマイクロ流体デバイスの第一の工程を示す図である。図１４において、２３ａ、２３ｂは流出経路であり、２４は液体に溶解する物質であり、本実施例では油脂である。
【００７６】
本実施例の第一の工程においては、第一の流体８ａと第二の流体８ｂの内、より合流流路の流路壁での付着仕事の小さい流体のみを合流流路１３に導入する。本実施例では第一の流体８ａはノルマルヘキサン（ｎ−ヘキサン）、第二の流体８ｂは水、合流流路の流路壁はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）であると想定している。
【００７７】
ｎ−ヘキサンの表面張力は０．０１８Ｎ／ｍであり、ＰＴＦＥとの接触角は４１°である。また、水の表面張力は０．０７２Ｎ／ｍであり、ＰＴＦＥとの接触角は１０４°である。この時、ｎ−ヘキサンの付着仕事は０．０３２Ｊ／ｍ２、水の付着仕事は０．０５５Ｊ／ｍ２である。
【００７８】
したがって、本実施例の第一の工程では第一の流体８ａを第一の流量調整手段９ａを用いて第一の流体の導入流路１２ａを通じて送液し、合流流路１３を充填させる。この時第二の流体８ｂは第二の流量調整手段９ｂにより送液されないようにする。
【００７９】
図１５は、抽出を行うマイクロ流体デバイスの第二の工程を示す図である。本実施例の第二の工程においては、第一の流体８ａが充填された合流流路１３に第二の流体８ｂを第二の流量調整手段９ｂを用い、第二の流体の導入流路１２ｂを通じて導入する。この時、第一の流体８ａは前記第一の工程から引き続き流量調整手段９ａによって前記第一の工程と同じ流量で導入される。
【００８０】
本実施例の第二の工程では第一の流体の流量を第一の工程での流量に固定しているが、第一の流量調整手段９ａにより流量を調整してもよい。
第二の工程の後に抽出工程を行う。本実施例で幅を狭くする理由は、第二の流体８ｂの幅を狭くすると油脂２４が界面１４で第一の流体８ａと接触し、油脂が抽出される確率が高まるためである。
【００８１】
油脂の溶解度は水とｎ−ヘキサンではｎ−ヘキサンの方が大きいため、水中の油脂が界面でｎ−ヘキサンと接触するとｎ−ヘキサンの方に溶解する。よって、流出口２３ａでは油脂を抽出したｎ−ヘキサンが得られる。
【００８２】
本実施例では、第一の流体８ａおよび、第二の流体８ｂはそれぞれｎ−ヘキサン、水、であったが、これらに限定されない。また、流体に溶解する物質２４は油脂であったが、他の物であってもよく、溶解しない物質、例えば粒子であってもよい。
【００８３】
また、溶解物質が一種類の場合について説明してきたが、二種類以上でもよい。これは粒子の場合でも同様である。
本実施例では抽出について説明してきたが、二種類以上の粒子の分離であってもよい。分離の方法としては粒子径と流体幅を利用して分離する方法などがあるが、この方法に限定されない。
【００８４】
また、実施例４にて示した流路形状においても、実施例１から実施例３を行うことができる。
以上の実施例１から実施例４では流量調整手段９ａ、９ｂが流路内に組み込まれているが、流路の外側にあってもよい。流量調整手段はポンプとバルブが一体となっていてもよく、ポンプのみで構成されてもよい。さらに、ポンプやバルブが複数であってもよい。ポンプは、シリンジポンプ、ダイヤフラムポンプ、ローラーポンプ、真空ポンプなどを用いればよいが、これらに限定されない。
【００８５】
また、第一の工程において合流流路１３の流路壁での付着仕事の小さい流体を導入する際、流路内の空気のほとんどは流出口から放出されるが、一部がバルブ付近に気泡として残存する可能性がある。これは、例えばバルブ付近の流路壁にガス透過膜を設置することで防ぐことができる。
【００８６】
実施例４によれば、層流を利用し、流体中の溶解物質あるいは粒子を抽出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明の流体の制御方法は、二つの流体を合流させる合流流路を有する流体デバイスにおいて、流体同士の界面位置が限定されず、かつ安定した界面を形成することができるので、μ−ＴＡＳやＬａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐを用いた検出や分析に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】界面張力と接触角の関係を示す図である。
【図２】流体層に光を伝播させて検出を行うマイクロ流体デバイスの装置の構成図である。
【図３】処理手順のフローチャートを示す図である。
【図４】流体層に光を伝播させて検出を行うマイクロ流体デバイスの第一の工程を示す図である。
【図５】流体層に光を伝播させて検出を行うマイクロ流体デバイスの第二の工程を示す図である。
【図６】シミュレーションに使用した二次元モデルを示す図である。
【図７】不連続な状態を示すシミュレーションを示す図である。
【図８】第一の工程のシミュレーションを示す図である。
【図９】第二の工程のシミュレーションを示す図である。
【図１０】壁面と流体内の反応物を反応させるマイクロ流体デバイスの第一の工程を示す図である。
【図１１】壁面と流体内の反応物を反応させるマイクロ流体デバイスの第二の工程を示す図である。
【図１２】界面位置情報を利用し流量を調整するマイクロ流体デバイスの装置の構成図である。
【図１３】処理手順のフローチャートを示す図である。
【図１４】抽出を行うマイクロ流体デバイスの第一の工程を示す図である。
【図１５】抽出を行うマイクロ流体デバイスの第二の工程を示す図である。
【符号の説明】
【００８９】
１ 固体（基板）
２ 空気
３ 液体
４ 固−気界面張力
５ 気―液界面張力
６ 固―液界面張力
７ 接触角
８ａ 第一の流体
８ｂ 第二の流体
９ａ 第一の流体の流量調整手段
９ｂ 第二の流体の流量調整手段
１０ａ 第一のポンプ
１０ｂ 第二のポンプ
１１ａ 第一のバルブ
１１ｂ 第二のバルブ
１２ａ 第一の流体の導入流路
１２ｂ 第二の流体の導入流路
１３ 合流流路
１４ 界面
１５ 流路壁
１６ 入射光
１７ 一本鎖ＤＮＡプローブ
１８ 一本鎖ＤＮＡ
１９ 界面位置計測手段
２０ 界面位置情報
２１ 制御部
２２ａ 第一の流体の流量調整情報
２２ｂ 第二の流体の流量調整情報
２３ａ、２３ｂ 流出流路
２４ 液体に溶解する物質
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの流体を合流させる合流流路を有する流体デバイスを用いて、該合流流路で多層流を形成する流体の制御方法であって、前記合流流路に第一の流体を充填する第一の工程と、前記合流流路に前記第一の流体と第二の流体を導入して多層流を形成する第二の工程とを有し、前記第一の流体が前記第二の流体よりも合流流路の壁面での付着仕事が小さいことを特徴とする流体の制御方法。
【請求項２】
前記多層流の一つの流体層に光を伝播させて標的物の検出を行う工程を有する請求項１に記載の流体の制御方法。
【請求項３】
前記合流流路の壁面に設置された反応物と、流体内の反応物を反応させる工程を有する請求項１に記載の流体の制御方法。
【請求項４】
前記合流流路の前記第一の流体と第二の流体の界面の位置を計測し、該界面の位置に基づいて前記第一の流体および第二の流体の少なくとも一つの流体の導入量を調整する請求項１に記載の流体の制御方法。
【請求項５】
前記第一および第二の流体の少なくとも一つの流体に含まれている物質を、分離または抽出する工程を有する請求項１に記載の流体の制御方法。
【請求項１】
二つの流体を合流させる合流流路を有する流体デバイスを用いて、該合流流路で多層流を形成する流体の制御方法であって、前記合流流路に第一の流体を充填する第一の工程と、前記合流流路に前記第一の流体と第二の流体を導入して多層流を形成する第二の工程とを有し、前記第一の流体が前記第二の流体よりも合流流路の壁面での付着仕事が小さいことを特徴とする流体の制御方法。
【請求項２】
前記多層流の一つの流体層に光を伝播させて標的物の検出を行う工程を有する請求項１に記載の流体の制御方法。
【請求項３】
前記合流流路の壁面に設置された反応物と、流体内の反応物を反応させる工程を有する請求項１に記載の流体の制御方法。
【請求項４】
前記合流流路の前記第一の流体と第二の流体の界面の位置を計測し、該界面の位置に基づいて前記第一の流体および第二の流体の少なくとも一つの流体の導入量を調整する請求項１に記載の流体の制御方法。
【請求項５】
前記第一および第二の流体の少なくとも一つの流体に含まれている物質を、分離または抽出する工程を有する請求項１に記載の流体の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００９−２０４３５７（Ｐ２００９−２０４３５７Ａ）
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−４５０２９（Ｐ２００８−４５０２９）
【出願日】平成２０年２月２６日（２００８．２．２６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２６日（２００８．２．２６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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