(57)【要約】【課題】大きなスペースを必要とすることなく、複数種類の液体を搬送する速度やタイミングを非接触で容易に制御することが可能な装置及び方法を提供する。【解決手段】流路中の液体を搬送するため、流路１の壁面の少なくとも一部は光触媒機能を有し、流路１中の液体２の端面２ａ付近に照射手段２０より光２５を照射し、流路壁を親水化された第２の状態１ｂとし、照射手段２０を流路１に沿って液体２の搬送方向２４側に移動させることで、液体２の搬送が可能となり、また、流路１に振動波発生手段３０により振動波３１を付与すると流路壁は元の第１の状態１ａに戻すことができるので別の液体の搬送に利用することができる。【選択図】図２
2010008079.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路中の液体を搬送する液体搬送装置であって、
前記流路の壁面の少なくとも一部は光触媒機能を有し、
前記流路中の液体の端面付近に光を照射し、該光照射した部分を前記流路に沿って前記液体の搬送方向側に移動させる照射手段と、
前記流路に振動波を付与する振動波発生手段と、
を備えることを特徴とする液体搬送装置。
【請求項２】
前記光触媒機能は、光触媒機能を有する金属酸化物を含む膜により付与される請求項１に記載の液体搬送装置。
【請求項３】
前記金属酸化物は、二酸化チタンである請求項２に記載の液体搬送装置。
【請求項４】
前記流路は基板に形成されており、該基板は脱着可能であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の液体搬送装置。
【請求項５】
壁面の少なくとも一部が光触媒機能を有する流路中における液体を搬送する液体搬送方法であって、
（１）前記液体における搬送方向側の端面付近を光照射し、該光照射した位置を前記流路に沿って前記液体の搬送方向側に移動させる工程と、
（２）前記流路への振動波の付与を行う工程と、
を有することを特徴とする液体搬送方法。
【請求項６】
前記工程（１）と前記工程（２）を同時に行うことを特徴とする請求項５に記載の液体搬送方法。
【請求項７】
前記工程（１）と前記工程（２）を交互に繰り返し行うことを特徴とする請求項５に記載の液体搬送方法。
【請求項８】
前記光触媒機能は、光触媒機能を有する金属酸化物を含む膜により付与されることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の液体搬送方法。
【請求項９】
前記金属酸化物は二酸化チタンであることを特徴とする請求項８に記載の液体搬送方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小流路内の液体を搬送するための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、基板上に微細な流路を集積化し、その基板上で生化学分析を統合的に行うマイクロＴＡＳと呼ばれるデバイスの研究・開発が盛んになっている。
【０００３】
マイクロＴＡＳはガラスやプラスチックの基板上に微細な流路やチャンバーを形成したものであり、マイクロＴＡＳ内部で溶液の混合、分離、反応、又は検出等の一連の操作を行うことができる。流路やチャンバーが微小であるため、生化学反応に使用する検体や検査試薬が微小量で済む。したがって、溶液の混合や反応が高速化・効率化され、検査試薬等にかかるコストも削減される。
【０００４】
これらのマイクロＴＡＳを用いた生化学分析では、マイクロＴＡＳ内部に検査対象以外の液体が混入することによる誤判定を防ぐ必要がある。しかし、マイクロＴＡＳは安価で製造できるため、分析の際には必ず新規のマイクロＴＡＳを使用するような使い捨て形態にすることによって、液体による汚染を防ぐことができる。
【０００５】
これらの生化学反応を進行させるためには、流路やチャンバー内の液体を搬送する手段が必要になる。従来の方法では、外部のポンプをマイクロＴＡＳに接続し、マイクロＴＡＳ内部の圧力を変化させて流路内部の液体を搬送していた。また、マイクロＴＡＳにポンプ機能を持たせて液体を搬送する方法もいくつか提案されている。
【０００６】
しかしながら、外部のポンプに接続する方式では、接続部が液体に接触する恐れがある。液体による汚染を防ぐためには接続部を洗浄したり、交換したりする必要が出てくるが、工程が煩雑になり、生化学分析のスループットは低下してしまう。しかも、接続部を交換する方法では、使用部品点数が増えることによるコストアップも考えられる。
【０００７】
また、ポンプ機能をマイクロＴＡＳに内蔵した方式では、マイクロＴＡＳ自体のコストが高くなってしまうため、使い捨て形態で利用するには不向きな構成である。
【０００８】
これらの課題を解決するために、流路に分析装置が直接触れることなく、しかも、簡易な構成で液体を搬送するための方法がいくつか提案されている。例えば、特開昭６０−２３８７６１号公報（特許文献１）では、遠心力を利用して液体を搬送している。
【０００９】
また、特開２００２−２１４２４３号公報（特許文献２）では、光触媒に紫外線を照射すると超親水状態になることを利用して液体を搬送している。特許文献２に記載の液体の搬送方法は、流路壁に設けた光触媒機能を有する金属酸化物膜に紫外線を照射し、流路中に超親水化領域と親水化領域を設け、超親水化領域から親水化領域へ液体を搬送するという方法である。
【特許文献１】特開昭６０−２３８７６１号公報
【特許文献２】特開２００２−２１４２４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に記載の遠心力を液体の搬送に利用した構成では、液体を搬送する速度の制御が困難であり、液体を搬送する方向にも制限がある。しかも、液体を搬送するタイミングを制御するためには、マイクロＴＡＳ内部にバルブ等の機能が必要になる。したがって、複数種類の液体を搬送するには複雑な構成とならざるを得ない。さらに、遠心力を与えるためにはマイクロＴＡＳを回転するテーブルが必要であり、装置も大型になってしまう。
【００１１】
また、特許文献２に記載の方法は、一度、超親水性になった壁面を元に戻さない限り、同じ流路に別の液体を流すことはできない。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、複数種類の液体を搬送でき、かつ、液体搬送の速度やタイミングを非接触で容易に制御できる装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る液体搬送装置は、
流路中の液体を搬送する液体搬送装置であって、
前記流路の壁面の少なくとも一部は光触媒機能を有し、
前記流路中の液体の端面付近に光を照射し、該光照射した部分を前記流路に沿って前記液体の搬送方向側に移動させる照射手段と、
前記流路に振動波を付与する振動波発生手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る液体搬送方法は、
壁面の少なくとも一部が光触媒機能を有する流路中における液体を搬送する液体搬送方法であって、
（１）前記液体における搬送方向側の端面付近を光照射し、該光照射した位置を前記流路に沿って前記液体の搬送方向側に移動させる工程と、
（２）前記流路への振動波の付与を行う工程と、
を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、光（例えば紫外線）を照射することで光触媒機能を備えた流路の壁面が親水性になるので、流路中の液体は光の照射位置を追従するように移動する。したがって、液体搬送の速度とタイミングを容易に制御することができる。また、光触媒機能を備えた流路に振動波を付与することで親水性になった流路壁面が元の状態に戻るため、同一の流路で複数の液体を順次搬送することが可能である。さらに、液体を搬送するための外部ポンプを流路に接触させる必要がないので、他の液体による流路の汚染を低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明に係る液体搬送装置は、流路中の液体を搬送する液体搬送装置であって、
前記流路の壁面の少なくとも一部は光触媒機能を有し、
前記流路中の液体の端面付近に光を照射し、該光照射した部分を前記流路に沿って前記液体の搬送方向側に移動させる照射手段と、
前記流路に振動波を付与する振動波発生手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る液体搬送方法は、壁面の少なくとも一部が光触媒機能を有する流路中における液体を搬送する液体搬送方法であって、
（１）前記液体における搬送方向側の端面付近を光照射し、該光照射した位置を前記流路に沿って前記液体の搬送方向側に移動させる工程と、
（２）前記流路への振動波の付与を行う工程と、
を有することを特徴とする。
【００１８】
以下、図面に基づいて本発明にかかる実施形態について説明しつつ、本発明について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１９】
（実施形態１）
図１は本発明に係る液体搬送装置の実施形態の一例を示す側面図である。基板１０には流路１が設けられており、その流路１の壁面は光触媒機能を有する。光触媒機能は例えば二酸化チタンの薄膜を壁面にコートすることにより付与できる。そして、基板１０は振動波発生手段３０の上に配置されている。基板１０の上方には、照射手段２０が配置されている。照射手段２０は、図１の例では、フレキシブルなライトガイド２２を介して鏡筒２１と紫外線光源２３が接続されている構成である。また、照射手段の構成中に含まれる照射位置移動手段４０は、支柱４２で支えられており、可動ステージ４１に鏡筒２１が固定されている。これによって、鏡筒２１を基板１０の上方で矢印２４の方向に自由に移動させることができる。また、図１の例では、照射手段（照射位置移動手段も含む）、振動波を付与する振動波発生手段３０は制御手段５０と接続されており、制御手段５０で各部の動作が管理されている。ここで、図１では、照射手段は、光源（例えば紫外線）２３に接続した鏡筒２１を可動ステージ４１で移動させる構成とした。しかし、これに限定されるものではなく、照射手段は、ミラーの角度および位置の変化によって照射位置を変更する構成でも良いし、紫外線ＬＥＤのアレイを基板上方に配置して紫外線ＬＥＤを点灯させる位置を制御しても良い。また、図１では、鏡筒２１の移動方向を矢印２４のように表現したが、図１における奥行き方向又は垂直方向に移動させても良いし、回転させても良い。さらに、鏡筒が一つの照射手段２０の例を示したが、これに限定されるのではなく、鏡筒が複数ある照射手段を用いても良い。なお、基板１０はカセットとして脱着可能に構成されてもよい。
【００２０】
次に、図２を用いて、図１に例示した液体搬送装置による液体搬送の方法について説明する。
【００２１】
図２（ａ）は、図示しない液体導入手段で流路１の中に液体２が導入された状態である。光（図２の例では紫外線）がまだ照射されていない状態なので、流路１の壁面は第一の状態１ａとなっている。したがって、液体２の端面２ａと流路１がなす接触角は、液体２の端面２ｂと流路１がなす接触角と同じであり、液体２は流路１内のある位置で止まっている状態である。
【００２２】
次に、図２（ｂ）に示すように、液体２の端面２ａの位置を紫外線２５で照射する。紫外線２５で照射された位置の流路壁面は第一の状態１ａから第二の状態１ｂに変化する。第一の状態１ａよりも第二の状態１ｂの方が親水性になるため、液体２の端面２ａと流路１がなす接触角は、液体２の端面２ｂと流路１がなす接触角よりも小さくなる。ここで、気液界面に発生する圧力について記載する。細管内に気液界面がある時、細管の内径をｒ［ｍ］、接触角をθ［ｒａｄ］、液体の表面張力をＴ［Ｎ／ｍ］とすると、気液界面で発生する圧力Ｐ［Ｐａ］は次のように表現される。
【００２３】
Ｐ＝−２Ｔｃｏｓθ／ｒ
図２（ｂ）の状態では、端面２ａと２ｂにおける表面張力・流路の半径は等しいので、接触角が小さい端面２ａ側の圧力の絶対値が端面２ｂ側の圧力の絶対値より大きい。つまり、液体２には端面２ａ側に引っ張られるような力が働き、液体２は端面２ａ側に移動する。その液体２の動きに伴って、紫外線２５の照射位置を矢印２４の方向に流路に沿って移動すれば、流路１の壁面が第二の状態１ｂとなる領域が増え、液体２はさらに移動する。
【００２４】
しかし、第二の状態１ｂの領域が増えると、液体２の端面２ｂでの接触角も小さくなり、図２（ｃ）のような状態になる。図２（ｃ）の状態では、液体２の端面２ａと端面２ｂに発生する圧力は等しくなるため、これ以上照射手段２０を移動させても液体２は移動しない。
【００２５】
そこで、図２（ｄ）に示すように、紫外線２５の照射を止め、振動波発生手段３０で流路１に振動波３１を与える。これにより、流路１の壁面で第二の状態１ｂであった部分が、第一の状態１ａに戻る。そして、また図２（ｂ）のように紫外線２５を照射し、照射手段２０を矢印２４の方向へ移動させれば、液体２も移動する。これらの動作を交互に繰り返すことで、液体２を流路１の所望の位置へ移動させることが可能になる。また、振動波の付与によって、紫外線が照射されて親水性になった流路の壁面が元の状態に戻るため、同一の流路で複数の液体を順次搬送することが可能となる。
【００２６】
次に、光触媒機能の性能について述べる。実験結果を図４〜６に示す。光触媒機能を有する基板（以下、光触媒基板と省略する）はガラスに二酸化チタンをコートしたものを用いた。また、光として照射した紫外線は波長３６５ｎｍであった。
【００２７】
図４のグラフは、光触媒基板に紫外線を照射し、時間経過と共に光触媒基板上に滴下した液滴（水）の接触角を記録した結果である。これにより、光触媒基板に紫外線を照射することで、光触媒基板の親水性が強まることを確認できた。
【００２８】
また、図５のグラフは、紫外線を１時間照射した後の光触媒基板を超音波洗浄し、時間経過と共に光触媒基板上に滴下した液滴の接触角を記録した結果である。使用した超音波洗浄装置の仕様は、周波数４７ｋＨｚ・出力１８５Ｗである。これにより、光触媒基板に振動波を付与することで、光触媒基板の親水性が弱まることを確認できた。ここでは、周波数４７ｋＨｚ・出力１８５Ｗの条件で実験を行っているが、この数値に限定されるものではない。
【００２９】
さらに、表１に、各工程後の光触媒基板の接触角について示す。表１の実験では、工程Ｎｏ．１〜５を同一の光触媒基板で連続して行い、各工程が終了した時の接触角を光触媒基板の同一個所で測定した。紫外線照射後の光触媒基板を工程Ｎｏ．３で超音波洗浄し、工程Ｎｏ．４で紫外線照射すると再び光触媒基板の親水性は強まった。つまり、振動波の付与により光触媒の機能が損なわれることがないことを確認できた。さらに、紫外線照射後の光触媒基板を工程Ｎｏ．５で暗室に放置したが、光触媒基板表面が元の状態に戻る速度は超音波洗浄を行った時と比べると遅い。このことからも、超音波洗浄が光触媒基板表面を元の状態に戻すのに効果があることを確認できた。
【００３０】
【表１】
2010008079.tif 000003
【００３１】
以上で説明したように、紫外線の照射位置で液体の位置を制御できるので、大きなスペースを必要とすることなく、非接触で液体を搬送する速度・タイミングを容易に制御できる。より具体的には、紫外線照射で液体の搬送を行うことができるため、ポンプ等の流動発生装置を必要とせずに、紫外線の照射の制御のみで、液体を容易に搬送することができる。
【００３２】
ここで、本発明の構成について詳細に説明する。
【００３３】
（光触媒機能）
本発明における光触媒機能とは、光照射、とくに紫外線照射を受けて親水性となる性質をいう。したがって、光触媒機能を有する流路とは、光照射により流路壁面が親水性となる性質を有する流路のことである。また、光触媒機能として、例えば、光照射を受けて励起状態となり接触している有機物を酸化分解させる機能を合わせて有していてもよい。
【００３４】
光触媒機能を有する材料としては、例えば金属酸化物が挙げられる。金属酸化物としては、例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化鉄、又はチタン酸ストロンチウム等を挙げることができる。酸化チタンとしては、二酸化チタン（ＴｉＯ2）のほか、含水酸化チタン、水和酸化チタン、メタチタン酸、オルトチタン酸又は水酸化チタンなどと一般に呼ばれているものを含み、その結晶型は問わない。前記光触媒機能を有する金属酸化物としては、高い光触媒機能を有し、化学的に安定であり、かつ、無害である酸化チタンが好ましく、酸化チタンの中でも特に二酸化チタンが好ましい。
【００３５】
流路は、従来のリソグラフィ法等の微細加工技術を用いて光透過性を有する基板に溝を形成することで可能である。また、光触媒機能の付与は、例えば、所定の溝パターンを有する基板上に、スパッタリング法等を用いて前記金属酸化物からなる膜を溝壁面に形成することにより形成可能である。なお、基板としては、特に限定されるものではないが、例えば、ガラスやポリスチレン、ポリトリフルオロエチレン、ポリメタクリサンメチル等の樹脂等を用いることができる。また、光触媒機能を有する金属酸化物からなる粒子をバインダー溶液中に混ぜた溶液を、溝パターンに塗布して形成することもできる。
【００３６】
また、本発明では、光触媒機能を有する流路が形成された基板を、カセットとして搬送装置から脱着可能とすることが好ましい。このような構成とすることにより、該カセット部分を使い捨て用品とすることができ、汚染等の問題も解決される。
【００３７】
（液体）
液体としては、液体であれば特に限定されない。例えば、生体内物質を含む溶液を液体として搬送できる。例えば、具体的には、汗、血液、浸出液、間質液、尿等が例示される。また、これらから所定の成分を抽出した処理液が挙げられる。液体中の成分は、例えば、グルコース、乳酸、尿酸、コレステロール、コリン、胆汁酸、核酸等が挙げられる。
【００３８】
（照射手段）
本発明では、照射手段により流路中の液体の端面付近（界面部分）に光を照射し、照射した部分の流路壁面を親水性とする。さらに、該照射位置を流路に沿って液体の搬送方向側に移動させる。該光としては、光触媒機能を有する流路の壁面を親水性とすることができる光であれば特に限定されないが、紫外線であることが好ましい。例えば、二酸化チタンを用いて光触媒機能を流路に付与した場合、紫外線照射により二酸化チタンを活性化し、親水性とすることができる。
【００３９】
本発明における照射手段としては、特に限定されるものではないが、図１の例示のように、光源２３に接続した鏡筒２１を可動ステージ４１等の照射位置移動手段により移動させる構成とすることができる。また、上述のように、ミラーの角度および位置の変化によって照射位置を変更する構成でも良いし、紫外線ＬＥＤのアレイをカセット上方に配置して紫外線ＬＥＤを点灯させる照射位置を制御する構成としても良い。
【００４０】
（振動波発生手段）
振動波発生手段としては、超音波発生器など従来公知のものを用いることができる。流路に振動波が届くように設置されればよく、図１のように流路が形成された基板に接して設けられることが好ましい。超音波発生器としては、一般に用いられる圧電素子を振動させる超音波発生素子や、複数の圧電素子を配置した超音波ステータなどを用いることができる。
【００４１】
（実施形態例２）
図３を用いて、本発明の第２の実施形態について説明する。液体搬送機構は図１に示した構成であり、第１の実施例と同様であるため説明は省略する。
【００４２】
図３（ａ）は、図示しない液体導入手段で流路１の中に液体２が導入された状態である。紫外線がまだ照射されていない状態なので、流路１の壁面は第一の状態１ａとなっている。したがって、液体２の端面２ａと流路１がなす接触角は、液体２の端面２ｂと流路１がなす接触角と同じであり、液体２は流路１内のある位置で止まっている状態である。
【００４３】
次に、図３（ｂ）に示すように、液体２の端面２ａの位置を紫外線２５で照射する。これと同時に、振動波発生手段３０で流路１に振動波３１を与えておく。紫外線２５で照射された位置の流路壁面は第一の状態１ａから第二の状態１ｂに変化する。第一の状態１ａよりも第二の状態１ｂの方が親水性になるため、液体２の端面２ａと流路１がなす接触角は、液体２の端面２ｂと流路１がなす接触角よりも小さくなる。これにより、実施例１で説明した気液界面に発生する圧力の関係から、液体２は端面２ａ側に移動する。その液体２の動きに伴って、紫外線２５の照射位置を矢印２４の方向に移動させる。
【００４４】
紫外線２５の照射位置が移動すると図３（ｃ）の状態になる。液体２の端面２ａの付近は常に紫外線２５が照射されている状態なので、流路１の壁面は常に第二の状態１ｂになっている。そして、紫外線２５の照射位置から外れた流路壁面は、振動波３１の効果により第二の状態１ｂから第一の状態１ａに戻る。したがって、液体２の端面２ｂが存在する流路１の壁面は第一の状態１ａとなる。つまり、液体２には必ず矢印２４の方向の力が働くことになる。また、振動波の付与によって、紫外線が照射されて親水性になった流路の壁面が元の状態に戻るため、同一の流路で複数の液体を連続的に搬送することが可能となる。
【００４５】
以上で説明したように、紫外線の照射位置で液体の位置を制御できるので、大きなスペースを必要とすることなく、非接触で液体を搬送する速度・タイミングを容易に制御できる。この時、紫外線の照射と振動波の付与を同時に行っているので、連続的に液体を移動させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態に係る液体搬送装置の構成例を説明する側面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る液体の搬送方法を説明する図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る液体の搬送方法を説明する図である。
【図４】光触媒基板へ紫外線を照射した場合における光触媒基板の濡れ性変化を説明する説明図である。
【図５】光触媒基板を超音波洗浄した場合における光触媒基板の濡れ性変化を説明する説明図である。
【符号の説明】
【００４７】
１    流路
１ａ  第１の状態
１ｂ  第２の状態
２    液体
１０  基板
２０  照射手段
２１  鏡筒
２２  ライトガイド
２３  光源
２５  光（例えば紫外線）
３０  振動波発生手段
３１  振動波
４０  照射位置移動手段
４１  可動ステージ
５０  制御手段
【図１】
2010008079.tif 000004
【図２】
2010008079.tif 000005
【図３】
2010008079.tif 000006
【図４】
2010008079.tif 000007
【図５】
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