(57)【要約】  温度制御可能なマイクロ流体デバイスは、第１の方向に概略延在し、標本流体を流すためのマイクロ流体チャネルと、前記マイクロ流体チャネルに沿って配置され、前記マイクロ流体チャネルのそれぞれの側に沿って前記第１の方向に概略延在する一対の蛇行形状部分を備えた抵抗線で作製されたマイクロヒータと、前記マイクロ流体チャネルに沿って配置され、前記マイクロ流体チャネルの前記それぞれの側に沿って前記第１の方向に概略延在する一対の蛇行形状部分を備えた抵抗線で作製された温度センサとを有する。
2019518959.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に概略延在し、標本流体を流すためのマイクロ流体チャネルと、
前記マイクロ流体チャネルに沿って配置され、前記マイクロ流体チャネルのそれぞれの側に沿って前記第１の方向に概略延在する一対の蛇行形状部分を備えた抵抗線で作製されたマイクロヒータと、
前記マイクロ流体チャネルに沿って配置され、前記マイクロ流体チャネルの前記それぞれの側に沿って前記第１の方向に概略延在する一対の蛇行形状部分を備えた抵抗線で作製された温度センサと、
を有する温度制御可能なマイクロ流体デバイス。
【請求項２】
前記温度センサの前記一対の蛇行形状部分は、前記マイクロ流体チャネルに対して外側において、前記マイクロヒータの前記一対の蛇行形状部分に沿って配置されている、請求項１に記載の温度制御可能なマイクロ流体デバイス。
【請求項３】
前記温度センサの前記一対の蛇行形状部分と、前記マイクロヒータの前記一対の蛇行形状部分とは、いずれも矩形波形状を有する請求項１に記載の温度制御可能なマイクロ流体デバイス。
【請求項４】
前記マイクロヒータと前記温度センサとはガラス基板の上に配置され、前記マイクロ流体チャネルは、前記ガラス基板の上に配置されたパターニングされたブロックで画定されている、請求項１に記載の温度制御可能なマイクロ流体デバイス。
【請求項５】
前記マイクロ流体チャネルは、前記マイクロ流体チャネルの本体部よりも狭い幅を有する狭窄部を備える請求項１に記載の温度制御可能なマイクロ流体デバイス。
【請求項６】
第１の方向に概略延在し、標本流体を流すためのマイクロ流体チャネルであって、前記マイクロ流体チャネルの本体部よりも狭い幅を有する狭窄部を備えた前記マイクロ流体チャネルと、
前記マイクロ流体チャネルの前記本体部に沿って配置され、前記マイクロ流体チャネルの前記本体部のそれぞれの側に沿って前記第１の方向に概略延在する一対の蛇行形状部分を備えた抵抗線で作製されたマイクロヒータと、
前記マイクロ流体チャネルの前記本体部に沿って配置され、前記マイクロ流体チャネルの前記本体部の前記それぞれの側に沿って前記第１の方向に概略延在する一対の蛇行形状部分を備えた抵抗線で作製された温度センサとを備えたマイクロ流体デバイスを用いて、二つの液体間の温度依存性のある界面張力を測定する方法であって、
前記マイクロ流体チャネルに二つの液体の混合物を導入することにより、他方の液体の中に浸漬した一方の液体の液滴を形成し、前記液滴を前記第１の方向に移動させ、
前記マイクロヒータを駆動させ、前記温度センサを通じて前記マイクロ流体チャネルの内部の温度を監視することにより、前記温度をフィードバック制御及び調節し、
前記液滴が前記マイクロ流体チャネルの中を移動しているときに、撮像デバイスを用いて前記液滴の変形を撮像し、
前記撮像デバイスで撮像された前記液滴の前記変形に従って、前記二つの液体間の界面張力を計算する、
方法。
【請求項７】
前記温度センサの前記一対の蛇行形状部分は、前記マイクロ流体チャネルに対して外側において、前記マイクロヒータの前記一対の蛇行形状部分に沿って配置されている、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記温度センサの前記一対の蛇行形状部分と、前記マイクロヒータの前記一対の蛇行形状部分とは、いずれも矩形波形状を有する請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記マイクロヒータと前記温度センサとはガラス基板の上に配置され、前記マイクロ流体チャネルは、前記ガラス基板の上に配置されたパターニングされたブロックで画定されている、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
第１の方向に概略延在し、他方の液体に浸漬された一方の液体の液滴を有する標本流体を流すためのマイクロ流体チャネルであって、前記マイクロ流体チャネルの本体部よりも狭い幅を有する狭窄部を備えた前記マイクロ流体チャネルと、
前記マイクロ流体チャネルの前記本体部に沿って配置され、前記マイクロ流体チャネルの前記本体部のそれぞれの側に沿って前記第１の方向に概略延在する一対の蛇行形状部分を備えた抵抗線で作製されたマイクロヒータと、
前記マイクロ流体チャネルの前記本体部に沿って配置され、前記マイクロ流体チャネルの前記本体部の前記それぞれの側に沿って前記第１の方向に概略延在する一対の蛇行形状部分を備えた抵抗線で作製された温度センサと、
前記マイクロヒータと前記温度センサとに接続されて、前記マイクロヒータを駆動すると共に、前記温度センサを通じて前記マイクロ流体チャネル内の温度を検出し、前記温度をフィードバック制御及び調節する一又は複数のコントローラと、
前記液滴が前記マイクロ流体チャネル内を移動しているときに前記液滴の像を取得する撮像デバイスと、
を有する二つの流体間の界面張力を測定するための温度制御可能なマイクロ流体張力計。
【請求項１１】
前記温度センサの前記一対の蛇行形状部分は、前記マイクロ流体チャネルに対して外側において、前記マイクロヒータの前記一対の蛇行形状部分に沿って配置されている、請求項１０に記載の温度制御可能なマイクロ流体張力計。
【請求項１２】
前記温度センサの前記一対の蛇行形状部分と、前記マイクロヒータの前記一対の蛇行形状部分とは、いずれも矩形波形状を有する請求項１０に記載の温度制御可能なマイクロ流体張力計。
【請求項１３】
前記マイクロヒータと前記温度センサとはガラス基板の上に配置され、前記マイクロ流体チャネルは、前記ガラス基板の上に配置されたパターニングされたブロックで画定されている、請求項１０に記載の温度制御可能なマイクロ流体張力計。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、界面の測定に関し、より具体的には、二つの液体の動的界面張力を測定するためのマイクロ流体デバイスに関する。本願は、２０１６年６月２１日に出願された米国仮出願番号６２／３５２，６６４を参照することにより援用する。
【背景技術】
【０００２】
界面張力(IFT)は、二つの流体の形態、安定性、構造、及び多相流動力学を決定するための当該流体の重要な物理化学的性質である。IFTを測定するための装置やプローブは液−液界面を乱してはならず、また、僅かな量の埃や不純物が解析に重大な影響を及ぼすため、IFTの測定は繊細な作業である。非混和性液間の動的IFTを正確に測定することは、液界面の過渡的な振る舞い、すなわち界面活性成分又は界面活性剤、塩、及びナノ粒子といった溶質の吸着を研究するために必要である。一定の環境温度下では、界面張力の変化の割合は、界面活性成分の特性（例えば、吸着及び拡散係数）、これらの成分の濃度、及び物質移動機構（例えば、拡散と対流）に主に依存する。吸着及び脱離プロセスのキネティクスは、一秒以内の時間スケールで起きる。そのため、IFTの定量化は、界面ダイナミクスを適切に把握するためにミリ秒以内に行わなければならない。非特許文献１−６参照。
【０００３】
界面張力σijは、界面自由エネルギに関連しており、閉じた熱力学系の温度と圧力とに依存する。ここで、iとjは、それぞれの液相を表す。そのため、界面張力の温度依存性は、慣性力や重力よりも界面張力の方が勝るマイクロスケールで、顕著な効果を有する。例えば、IFTにおける熱勾配により、チャネル中におけるサンプル液滴の送出が促される。これはサーモキャピラリー効果と呼ばれる。このような現象は、マイクロ流体滴の効果的かつ簡単な作動として報告されている。非特許文献７−９参照。
【０００４】
IFTを測定する従来技術のほとんどは、液滴形状分析（例えば、ペンダントドロップ法、液滴法、スピニングドロップ法）又は力平衡の原理（例えば、ウィルヘルミプレート法及びデュヌイリング法）に基づいている。液滴形状分析は、液滴の形状又は平衡下におけるメニスカスの輪郭の決定を含む。しかしながら、液滴形状法では、シリンジ出口において液滴を１秒以内に形成する必要があるため、測定時間スケールが１秒を超える場合、測定精度が限定されてしまう。ペンダントドロップ法は、通常、ホットプレート又は加熱チャンバを使用して環境温度を制御するため、しばしば非対称な温度分布を引き起こし、続いて、流体チャンバ内の流体の熱対流を引き起こす熱勾配が生じ、実験誤差が発生してしまう。また、より高い温度においては、流体チャンバ内の流体の対流運動により屈折率が変化し、測定精度を低下させる形状変形が生じる。最後に、温度勾配とそれに伴う熱対流がチャンバ内で発生するのを避けるために、通常はチャンバ内やシリンジの先端で温度を空間的に一様にするために面倒な手順が必要となる。その結果、ペンダントドロップ法ではデータのノイズが多くなり、また実験環境の隔離が不適切であることに起因した振動、熱変動、及び汚染の影響を受けてしまう。また、板やリングを用いてIFTを直接測定する方法は、界面との接触からプレート又はリングを離すのに要する力を測定することで行われる。しかしながら、このように直接測定する方法は、IFTを測定する際の環境がオープンとなっているため、有機成分の吸着や試験溶液の蒸発によって影響を受けやすい。試験溶液の蒸発は系の温度上昇によって加速するため、温度に依存したIFTを測定する間に実験誤差が生じてしまうおそれがある。更に、直接測定する方法及びペンダントドロップ法は、いずれもIFTを計算するときに二つの流体の密度差を使用するため、密度差が小さい液体対のIFTを測定することができない。非特許文献１０−１３参照。
【０００５】
IFT力は、マイクロスケールの長さスケールでは重力や慣性力よりも支配的となるため、マイクロ流体プラットフォームはIFTを測定するのに特に有利となる。マイクロ流体の並行流の界面の張力測定を磁性粒子を用いて行う方法は、IFTを測定するために開発された。この方法では、磁性粒子が、液液界面を通り抜ける、又は、液液界面にトラップされる。しかしながら、この技術は、10-6〜10-5 N/mの非常に小さなIFTを測定する場合にしか使えない。液滴を用いたマイクロ流体の張力測定は、少量のサンプル量と少ない試薬及び廃棄物とにより、ミリ秒での過渡的な界面張力を捉えることができる。また、この方法は、装置の携帯性、独自のフロー制御、良好なスループット、最低限の汚染、流体成分を簡単に操作できる点、及び外場（例えばエレクトロウェッティング）と簡単に結合できる点において有利である。更に、装置の長さスケールスケール長が短いため、温度制御ユニットと組み合わせたときに、温度に対する応答が速くなる。非特許文献１０、１１、１４−２２参照。
【０００６】
最近、Hudsonらは、室温で界面張力を測定するための新規な液滴マイクロ流体プラットフォームを開発した。このプラットフォームは、最初に球形の液滴が発生し、次いで液滴に作用する伸長応力によって細長い楕円形に変形する伸長流場における液滴の変形についてのテイラー理論を利用している。伸長応力は、液液界面におけるIFTによって、空間的及び時間的精度と釣り合う。マイクロ流体を用いた方法は、界面活性剤の吸着キネティクスを経験的なスケーリング方程式に基づいて測定するために他の研究者によっても開発された。このアプローチを用い、１秒以下のタイムスケールで吸着キネティクスを定量的に測定した。しかしながら、いずれの場合でも、既存のマイクロ流体張力計は、温度条件が界面ダイナミクスに大きな影響を及ぼすにも関わらず、室温下でのみ動作する。第一に、液滴に作用する牽引力は流体の粘性によって影響を受けるため、IFT及び液体の粘性への温度依存性は、液滴の変形において重要なパラメータとなる。第二に、吸着キネティクスは温度にも依存する。従って、マイクロ流体プラットフォームにおける温度の監視と制御は、界面ダイナミクスに関連した液滴の変形を特徴付けるために必要である。非特許文献１９、２３、２４参照。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】G. M. Whitesides, Nature, 2006, 442, 368?373
【非特許文献２】S.-Y. Teh, R. Lin, L.-H. Hung and A. P. Lee, Lab Chip, 2008, 8, 198?220
【非特許文献３】S. Y. Mak, Z. Li, A. Frere, T. C. Chan and H. C. Shum, Sci. Rep., 2014, 4, 6675
【非特許文献４】Z. Li, S. Y. Mak, A. Sauret and H. C. Shum, Lab Chip, 2014, 14, 744?749
【非特許文献５】J. Kragel, A. Makievski, V. Kovalchuk and R. Miller, Transportmechanisms across Fluid Interfaces: Influence of the Interfacial Dynamics of Surface Active Substances on the Rheological behavior of Fluid Interfaces, DECHEMA Monogr., 2000, 109?140
【非特許文献６】M. L. Steegmans, A. Warmerdam, K. G. Schroen and R. M. Boom, Langmuir, 2009, 25, 9751?9758
【非特許文献７】F. Gallaire, C. Baroud and J.-P. Delville, Heat Technol., 2008, 26, 161?166
【非特許文献８】N.-T. Nguyen, W. W. Pang and X. Huang, J. Phys.: Conf. Ser., 2006, 967
【非特許文献９】M. L. Cordero, D. R. Burnham, C. N. Baroud and D. McGloin, Appl. Phys. Lett., 2008, 93, 034107
【非特許文献１０】J. Drelich, C. Fang and C. White, Encycl. Surf. Colloid Sci., 2002, 3, 3158?3163
【非特許文献１１】Q. Brosseau, J. Vrignon and J.-C. Baret, Soft Matter, 2014, 10, 3066?3076
【非特許文献１２】E. Yakhshi-Tafti, R. Kumar and H. J. Cho, Int. J. Optomechatronics, 2011, 5, 393?403
【非特許文献１３】B. Song and J. Springer, J. Colloid Interface Sci., 1996, 184, 77?91
【非特許文献１４】S. S. Tsai, J. S. Wexler, J. Wan and H. A. Stone, Lab Chip, 2013, 13, 119?125
【非特許文献１５】J.-C. Baret, F. Kleinschmidt, A. El Harrak and A. D. Griffiths, Langmuir, 2009, 25, 6088?6093
【非特許文献１６】M. Moire, Y. Peysson, N. Pannacci, B. Herzhaft, A. Colin and C. Dalmazzone, et al., SPE Improved Oil Recovery Conference, 2016
【非特許文献１７】H. Gu, M. H. Duits and F. Mugele, Colloids Surf., A 2011, 389, 38?42
【非特許文献１８】R. de Ruiter, P. Wennink, A. G. Banpurkar, M. H. Duits and F. Mugele, Lab Chip, 2012, 12, 2832?2836
【非特許文献１９】S. D. Hudson, J. T. Cabral, W. J. Goodrum, K. L. Beers and E. J. Amis, Appl. Phys. Lett., 2005, 87, 81905
【非特許文献２０】G. Hetsroni, S. Haber and E. Wacholder, J. Fluid Mech., 1970, 41, 689?705
【非特許文献２１】H. Zhou, Y. Yao, Q. Chen, G. Li and S. Yao, Appl. Phys. Lett., 2013, 103, 234102
【非特許文献２２】G. Bolognesi, A. Hargreaves, A. D. Ward, A. K. Kirby, C. D. Bain and O. Ces, RSC Adv., 2015, 5, 8114?8121
【非特許文献２３】G. Taylor, Proc. R. Soc. London, Ser. A, 1934, 146, 501?523
【非特許文献２４】J. Rallison, Annu. Rev. Fluid Mech., 1984, 16, 45?66
【非特許文献２５】D. Resnik, D. Vrtacnik, M. Mozek, B. Pecar and S. Amon, J. Micromech. Microeng., 2011, 21, 018301
【非特許文献２６】H. Yang, C. A. Choi, K. H. Chung, C. H. Jun and Y. T. Kim, Anal. Chem., 2004, 76, 1537?1543
【非特許文献２７】L. Y. Liu, S. L. Peng, W. J. Wen and P. Sheng, Appl. Phys. Lett., 2007, 91, 093513
【非特許文献２８】H. Bridle, M. Millingen and A. Jesorka, Lab Chip, 2008, 8, 480?483
【非特許文献２９】V. Bazargan and B. Stoeber, J. Microelectromech. Syst., 2010, 19, 1079?1087
【非特許文献３０】V. Miralles, A. Huerre, F. Malloggi and M.-C. Jullien, Diagnostics, 2013, 3, 33?67
【非特許文献３１】C. Fang, D. Lee, B. Stober, G. G. Fuller and A. Q. Shen, RSC Adv., 2015, 5, 85620?85629
【非特許文献３２】J. T. Cabral and S. D. Hudson, Lab Chip, 2006, 6, 427?436
【非特許文献３３】G. I. Taylor, Proc. R. Soc. London, Ser. A, 1932, 138, 41?48
【非特許文献３４】G. T. Roman, T. Hlaus, K. J. Bass, T. G. Seelhammer and C. T. Culbertson, Anal. Chem., 2005, 77, 1414?1422
【非特許文献３５】J. L. Pittman, C. S. Henry and S. D. Gilman, Anal. Chem., 2003, 75, 361?370
【非特許文献３６】R. Samy, T. Glawdel and C. L. Ren, Anal. Chem., 2008, 80, 369?375
【非特許文献３７】P. Kalenda and A. Kalendova, Dyes Pigm., 1995, 27, 305?312
【非特許文献３８】Y. Y. Chen and A. W. Wood, Bioelectromagnetics, 2009, 30, 583?590
【非特許文献３９】A. R. Metcalf, H. C. Boyer and C. S. Dutcher, Environ. Sci. Technol., 2016, 50, 1251?1259
【非特許文献４０】R. Astumian and P. Chock, J. Phys. Chem., 1985, 89, 3477?3482
【非特許文献４１】R. Zhang, H. Yang, K. Zhou, J. Zhang, X. Yu, J. Liu and Y. Han, Macromolecules, 2016, 49, 6987?6996
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
高い温度精度を有する既存の局部温度制御方法では、デバイスに埋め込まれたシリコン上又はガラス上のどちらかにワイヤをマイクロパターニングする。しかしながら、閉じた小さい領域において高い精度で局部温度を制御することは難しい。近年、微細加工技術によって、１秒あたり０．１〜２０℃の範囲の温度傾斜を提供し、チャネル方向に沿って一定の温度勾配を生成するミクロンサイズの構造物を作製する新規な分野が登場した。これにより、マイクロ流体プラットフォームにおいて温度を高い精度で制御することができる。最近、本願発明者を含むグループは、瞬間流量及び局部温度制御を統合したマイクロ流体プラットフォームを設計した（非特許文献３１参照）。２５〜９５℃の温度範囲においてチップ上で±０．２５℃程度の偏差ほどの狭い局所領域内の温度を高精度に制御することに成功した。以前の研究では、十字型のスロットデバイス内で幅が２０μmのマイクロヒータを設計し、それにより２５〜９５℃の温度範囲を実現した。しかしながら、この研究では、マイクロヒータの幅は４０μmである。現実的には、我々のマイクロデバイスの温度範囲は、マイクロヒータの材料と、マイクロデバイスにおけるマイクロヒータの大きさ／幅と、に依存する。実際、マイクロヒータの幅を４０μmとすると、我々のマイクロ流体張力計の温度の上限は７０℃となる。また、統合マイクロ流体デバイスは、デバイス内において熱対流と空間的な温度変化とを抑制することができるため、IFTの過渡的かつ動的な測定に極めて有利である。本願発明者が最も良く知る限り、デバイスを通して液滴の変形と動的なIFTとの間の温度依存性を調査するための、温度が制御されたマイクロ流体張力系は報告されていない。非特許文献２５〜３１参照。
【０００９】
本発明の目的は、新規で改善されたマイクロ流体張力計を提供し、上記した従来例の一つ又はそれ以上の課題を解決することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の目的に従ってこれらの及び他の優位性を達成するために、具体化され、広く説明されるように、１つの側面において、本発明は、第１の方向に概略延在し、標本流体を流すためのマイクロ流体チャネルと、前記マイクロ流体チャネルに沿って配置され、前記マイクロ流体チャネルのそれぞれの側に沿って前記第１の方向に概略延在する一対の蛇行形状部分を備えた抵抗線で作製されたマイクロヒータと、前記マイクロ流体チャネルに沿って配置され、前記マイクロ流体チャネルの前記それぞれの側に沿って前記第１の方向に概略延在する一対の蛇行形状部分を備えた抵抗線で作製された温度センサと、を有する温度制御可能なマイクロ流体デバイスを提供する。
【００１１】
上記した温度制御可能なマイクロ流体デバイスにおいて、前記温度センサの前記一対の蛇行形状部分は、前記マイクロ流体チャネルに対して外側において、前記マイクロヒータの前記一対の蛇行形状部分に沿って配置されてもよい。
【００１２】
上記した温度制御可能なマイクロ流体デバイスにおいて、前記温度センサの前記一対の蛇行形状部分と、前記マイクロヒータの前記一対の蛇行形状部分とは、いずれも矩形波形状を有してもよい。
【００１３】
上記した温度制御可能なマイクロ流体デバイスにおいて、前記マイクロヒータと前記温度センサとはガラス基板の上に配置され、前記マイクロ流体チャネルは、前記ガラス基板の上に配置されたパターニングされたブロックで画定されてもよい。
【００１４】
上記した温度制御可能なマイクロ流体デバイスにおいて、前記マイクロ流体チャネルは、前記マイクロ流体チャネルの本体部よりも狭い幅を有する狭窄部を備えてもよい。
【００１５】
他の側面において、本発明は、第１の方向に概略延在し、標本流体を流すためのマイクロ流体チャネルであって、前記マイクロ流体チャネルの本体部よりも狭い幅を有する狭窄部を備えた前記マイクロ流体チャネルと、前記マイクロ流体チャネルの前記本体部に沿って配置され、前記マイクロ流体チャネルの前記本体部のそれぞれの側に沿って前記第１の方向に概略延在する一対の蛇行形状部分を備えた抵抗線で作製されたマイクロヒータと、前記マイクロ流体チャネルの前記本体部に沿って配置され、前記マイクロ流体チャネルの前記本体部の前記それぞれの側に沿って前記第１の方向に概略延在する一対の蛇行形状部分を備えた抵抗線で作製された温度センサとを備えたマイクロ流体デバイスを用いて、二つの液体間の温度依存性のある界面張力を測定する方法であって、前記マイクロ流体チャネルに二つの液体の混合物を導入することにより、他方の液体の中に浸漬した一方の液体の液滴を形成し、前記液滴を前記第１の方向に移動させ、前記マイクロヒータを駆動させ、前記温度センサを通じて前記マイクロ流体チャネルの内部の温度を監視することにより、前記温度をフィードバック制御及び調節し、前記液滴が前記マイクロ流体チャネルの中を移動しているときに、撮像デバイスを用いて前記液滴の変形を撮像し、前記撮像デバイスで撮像された前記液滴の前記変形に従って、前記二つの液体間の界面張力を計算する方法を提供する。
【００１６】
上記した方法において、前記温度センサの前記一対の蛇行形状部分は、前記マイクロ流体チャネルに対して外側において、前記マイクロヒータの前記一対の蛇行形状部分に沿って配置されてもよい。
【００１７】
上記した方法において、前記温度センサの前記一対の蛇行形状部分と、前記マイクロヒータの前記一対の蛇行形状部分とは、いずれも矩形波形状を有してもよい。
【００１８】
上記した方法において、前記マイクロヒータと前記温度センサとはガラス基板の上に配置され、前記マイクロ流体チャネルは、前記ガラス基板の上に配置されたパターニングされたブロックで画定されてもよい。
【００１９】
他の側面において、本発明は、第１の方向に概略延在し、他方の液体に浸漬された一方の液体の液滴を有する標本流体を流すためのマイクロ流体チャネルであって、前記マイクロ流体チャネルの本体部よりも狭い幅を有する狭窄部を備えた前記マイクロ流体チャネルと、前記マイクロ流体チャネルの前記本体部に沿って配置され、前記マイクロ流体チャネルの前記本体部のそれぞれの側に沿って前記第１の方向に概略延在する一対の蛇行形状部分を備えた抵抗線で作製されたマイクロヒータと、前記マイクロ流体チャネルの前記本体部に沿って配置され、前記マイクロ流体チャネルの前記本体部の前記それぞれの側に沿って前記第１の方向に概略延在する一対の蛇行形状部分を備えた抵抗線で作製された温度センサと、前記マイクロヒータと前記温度センサとに接続されて、前記マイクロヒータを駆動すると共に、前記温度センサを通じて前記マイクロ流体チャネル内の温度を検出し、前記温度をフィードバック制御及び調節する一又は複数のコントローラと、前記液滴が前記マイクロ流体チャネル内を移動しているときに前記液滴の像を取得する撮像デバイスと、を有する二つの流体間の界面張力を測定するための温度制御可能なマイクロ流体張力計を提供する。
【００２０】
上記した温度制御可能なマイクロ流体張力計において、前記温度センサの前記一対の蛇行形状部分は、前記マイクロ流体チャネルに対して外側において、前記マイクロヒータの前記一対の蛇行形状部分に沿って配置されていてもよい。
【００２１】
上記した温度制御可能なマイクロ流体張力計において、前記温度センサの前記一対の蛇行形状部分と、前記マイクロヒータの前記一対の蛇行形状部分とは、いずれも矩形波形状を有してもよい。
【００２２】
上記した温度制御可能なマイクロ流体張力計において、前記マイクロヒータと前記温度センサとはガラス基板の上に配置され、前記マイクロ流体チャネルは、前記ガラス基板の上に配置されたパターニングされたブロックで画定されてもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の一又は複数の側面によれば、二つの液体の間の界面張力の測定を、便利で信頼性があり正確な枠組みで行うことができる。
【００２４】
発明の追加の又は別の特徴及び長所は、明細書に記載され、一部分において、明細書から明らかであるか、又は、発明の実践により学ばれる。発明の目的及びその他の長所は、添付の図面だけでなく明細書および請求の範囲において特に指摘されている構造によって実現され達成される。
【００２５】
前述の概要及び後述の詳細な説明のいずれも、典型的かつ説明的なものであり、請求の範囲に記載された発明のさらなる説明を提供することを目的とするものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本開示の一実施形態に係るマイクロ流体張力計の構成を概略的に示す図である。図１（ａ）はデバイスの概略的な斜視図を示し、図１（ｂ）は液滴が移動するマイクロチャネルの拡大図であり、図１（ｃ）はデバイスの拡大上面図である。
【図２（ａ）】図２は、この実施形態の詳細を示す図である。図２（ａ）は、デバイスの斜視図である。
【図２（ｂ）】図２（ｂ）は、デバイスの切断断面の斜視図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態におけるデバイスの製造工程を、個々の工程での断面を図示することにより概略的に示す図である。
【図４】図４は、シミュレーション条件と数値シミュレーションの結果とを示す図である。図４（ａ）は、熱輸送方程式を解く際に課した境界条件と初期条件を示す図であり、図４（ｂ）は、数値シミュレーションで得られた電場電位を示し、図４（ｃ）は、数値シミュレーションで得られた温度分布を示し、図４（ｄ）は、数値シミュレーションで得られた温度勾配の分布を示し、図４（ｅ）は、蛍光顕微鏡を用いて２０℃及び４０℃で捉えた、エポキシベースのマイクロチップの内部での水溶液中のローダミンＢの蛍光強度を示す図である。
【図５（ａ）】図５は、集積デバイスを用いた温度の検証と制御とを示す図である。図５（ａ）は、４０℃における数値シミュレーションと実験とで得られたマイクロヒータの中心線に沿った温度勾配を示す図である。
【図５（ｂ）】図５（ｂ）は、室温から７０℃まで変化させた設定温度(TS)と、温度センサによって測定された検出温度(TD)とを示す図である。図５（ｂ）に挿入されたグラフは、TDがTSに到達した後の局部温度制御誤差のヒストグラムを示す。
【図６】図６は、室温におけるシリコーンオイル（連続相）と５０wt%のグリセロール（分散相）との間の界面張力を得るために液滴をリアルタイムに追跡したときの様々なデータを示す。図６（ａ）は通過時間t(x)を示し、図６（ｂ）は液滴の質量中心に沿った伸長速度(ε-1)を示し、図６（ｃ）は液滴の大きさa0で規格化した無次元の変形パラメータDを示し（挿入されたグラフは、液滴の最大直径と最小直径を示す）、図６（ｄ）は、時間間隔中に収集した実験データであって、式３に基づいた界面張力σが傾きで表されている。なお、実線は、曲線を近似する直線を示す。
【図７】図７は、室温における異なるキャリア流体における四つの個々の液滴（水、含水グリセロール、又は空気）の界面張力測定のデータを示す。液滴の変形D/a0は、マイクロ流体デバイス内を液滴が移動するにつれて、撮像され計算される。実線は、各々の液滴の実験データに対する線形回帰分析を示し、その傾きによって界面張力(mNm-1)が表される。括弧内のデータは、ペンダントドロップ法によって得られた。
【図８】図８は、様々な温度における、５０wt%の含水グリセロールの液滴のシリコーンオイル中での変形を示す実験解析を示すテイラープロットである。液滴の変形は、系の温度が上昇するにつれて減少する。図８のテイラープロットは、（界面張力と等価な）傾きが、温度上昇と共に減少することを示している。
【図９（ａ）】図９（ａ）は、二種類の液体の組み合わせについての界面張力の測定結果を示す。液体の組み合わせは、シリコーンオイル（連続相）と５０wt%のグリセロール（分散相）、及び鉱油（連続相）と５０wt%のグリセロール（分散相）である。白印と黒印とは、それぞれペンダントドロップ法と本開示の実施形態に係るマイクロ流体張力計とを用いて得られた結果を示す。
【図９（ｂ）】図９（ｂ）は、本発明に係るマイクロ流体的な方法とペンダントドロップ法とで得られた測定値の確率密度とガウス分布とを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本開示は、１つの側面では、二つの非混和性液体の間の温度に依存した界面張力を正確に測定するための、温度を調節可能なマイクロ流体デバイスを提供する。デバイス内の温度を正確に維持するために、局部温度制御システムがマイクロ流体プラットフォームに組み合わされる。温度の均一性と感度は、シミュレーションと実験の両方で検証される。温度に依存した界面張力は、伸長流下の液滴の変形及び収縮ダイナミクスを定量的に解析することにより、動的かつ速やかに測定される。開示のマイクロ流体張力計は、様々な実施形態において、例えば室温から７０℃の範囲で温度を正確かつ体系的に制御して、温度に依存した界面張力を測定することができる。これは、過渡的な界面ダイナミクス、界面反応、及び界面活性剤の吸着プロセスを研究するのに役に立つ。
【００２８】
＜I. デバイス構造＞
以下に開示されるマイクロ流体張力計は、T字の接合部分においてエマルション滴を生成する領域と、並行流領域と、オンチップ温度を正確に制御して液滴を変形させるための流れ狭窄領域とを有する。図１は、本開示の実施形態に係るマイクロ流体張力計の構成を概略的に示す図である。図１において、（ａ）はデバイスの概略的な斜視図を示し（ｂ）は液滴がマイクロチャネルの拡大図であり、（ｃ）はデバイスの拡大上面図である。（ａ）〜（ｃ）に示されるように、この実施形態では、スライドガラス上のマイクロチャネルに沿ってマイクロヒータと温度センサとが形成される。マイクロチャネルは、スライドガラスの上に配置されたパターン化PDMSブロックによって画定される。（ｂ）及び（ｃ）に示されるように、液滴は、マイクロチャネルの右端にあるマイクロヒータと狭窄領域とを含む領域に向けて移動する。液滴は、狭窄領域に入る前に、流れ方向に沿って伸長する。
【００２９】
図２は、この実施形態に係るデバイスのより細部を示す図である。図２において、（ａ）はデバイスの斜視図であり、（ｂ）はデバイスの切断断面の斜視図である。これらの図に示されるように、ガラス基板（ガラススライド）の上にはパターニングされたマイクロヒータと温度センサとが形成されており、これらの上に例えばPDMSで形成されたブロックが配置され、これにより入口、出口、及びマイクロ流体チャネル等の様々な構造が画定される。上記の図１の（ｂ）と（ｃ）に示されるように、マイクロヒータと温度センサとは、マイクロ流体チャネルの両側に沿って配置されている。この実施形態では、マイクロヒータと温度センサの各々は、マイクロヒータのパターンを内側にして、矩形波の繰り返しパターンを有する。マイクロチャネルは、狭窄領域として幅狭部をマイクロチャネルの右側に備える。
【００３０】
＜II. 測定原理＞
連続相の流量Qcと分散相の流量Qdとを操作することにより、T字の接合部分においてエマルション滴を生成することができる。また、液滴の大きさは、流量比(Qc/Qd)で決定される。液滴の大きさは、あらゆる閉じ込め効果を排除するために0.2h〜0.8hの間で調節される。なお、hは、マイクロデバイスにおけるチャネルの高さである。液滴の大きさがマイクロチャネルの大きさに近いと、小さな界面張力の誤った予見に通じる可能性がある（非特許文献３２）。液滴は、次に下流に向かって流れていき、付加的な並行で対称な二つの流れによって加速される（図１の（ａ）及び（ｃ）参照）。狭窄領域の更に下流では、流れが加速し、伸長流場を生成する（図１（ｃ）参照）。狭窄領域を通過するにつれて、液滴は、液滴を流れ方向に沿って伸ばす伸長流場によって変形する。伸長流場下の液滴の変形についての初期の研究はテイラーによって確立された。その研究では、連続相の流体に伴う粘性力に起因した液滴（分散相）の歪みを特徴付けるために、四つのローラを備えた装置が使用された（非特許文献２３）。伸長流における粘性の小さな液滴の変形については、Rallison（非特許文献２４）によって更に理論的に研究された。彼らのモデルでは、液滴がマイクロチャネルをx方向（流れ方向）に沿って流れ、伸長流下で変形が生じると仮定されている。時間に依存した液滴の変形は、
【数１】
2019518959.tif 000003
と表される。ここで、a0(T)は平衡液滴半径、D = (l-b) / (l+b)は液滴の変形量、lとbは液滴の中心から表面までの最大距離及び最小距離、tは時間、Tは温度、xは流れ方向に沿った空間変数である。また、
【数２】
2019518959.tif 000004
は、所定温度Tにおける分散相の粘度（ηd(T)）と連続相の粘度（(ηc(T))）との間の相対粘度であり、α(T)ηc(T)は、次式で与えられる実効粘度である
【数３】
2019518959.tif 000005
【００３１】
液滴の瞬間的な変形は、伸長率εがdu/dxの一方向の時間不変な伸長流を考慮することにより、更に便利な形に表すことができる（非特許文献３２）。更に、
【数４】
2019518959.tif 000006
である。ここで、uは、x方向に沿った液滴の速度である。式（１）を整理すると、
【数５】
2019518959.tif 000007
となる。式（３）の左辺（LHS）の第１項は、定常状態における変形を示し、
【数６】
2019518959.tif 000008
によって支配される。第２項は、時間に依存した液滴の変形に相当する。狭窄領域において液滴は急激に加速するため、液滴の瞬間的な変形は、定常状態における変形よりも遅れる。このような一般的な場合では、液滴ダイナミクスの履歴も考慮しなければならない。式（３）の左辺の全てのパラメータと
【数７】
2019518959.tif 000009
は、どちらも高速顕微鏡像やレオロジー評価により直接的に測定することができる。
【数８】
2019518959.tif 000010
に対する式（３）の左辺をプロットすると、それを最もよく近似する直線の傾きは、所定の温度Tにおける二つの流体間の界面張力の値σ(T)となる。二つのニュートン流体の場合、D<0.15である限り、この関係は有効である。これは、液滴の変形についてのテイラー理論は、緩やかな変形に対して有効であることが実験的に分かっているためである（非特許文献２３、２４）。
【００３２】
このような液滴に基づいたマイクロ流体の張力測定において、界面張力に影響を与える物理的な鍵となるパラメータは、ηc(T)、ηd(T)、α(T)ηd(T)、及びD(x,T)である。D(x,T)は、キャリア流体の粘性牽引力（Fd）によって主に支配される。ここで、液滴の表面に平行な接線応力が連続であり、かつ液滴の表面に滑り（slippage）がないという仮定の下では、Fdは、
【数９】
2019518959.tif 000011
に関係している。粘性に関連したパラメータ（ηc(T)、ηd(T)、α(T)ηd(T)）は、二つの流体の密度の代わりに最も影響を与える因子であり、これは液液界面におけるペンダントドロップ法において重要である。
【００３３】
＜III. デバイスの製造＞
図３は、本発明の実施形態におけるデバイスの製造工程を、個々の工程での断面を図示することにより概略的に示す図である。マイクロ流体チャネルを作製するために、ソフトリソグラフィプロトコルを用いた。マイクロヒータと温度センサとは導電線で形成した。マイクロヒータ及び温度センサ用の導電線をパターニングするためにウエットエッチングプロセスを用いた。ウエットエッチングの方法の詳細のいくつかについては、我々の先行研究（非特許文献３１）においても説明されている。この実施形態では、図３に示すように、５０オングストロームの厚さのクロムの密着層の上に１０００オングストロームの厚さの金膜が形成されたガラススライド（EMF、CA-134）を基板として使用した。ガラススライドに対してフォトレジスト（Microchem、AZ-1512）を３０００RPMで３０秒間スピンコートし、１μmの膜厚を得た。露光は、マスクレスのリソグラフィシステム（Dlight DL-1000、Nanosystem、日本）を用いて、300〜mJ/cm2の露光強度で行った。ガラススライドは、１１０℃で１時間ベークした。次いで、金のエッチング液（TFA gold etchant、Transene）にガラススライドを３０〜３５秒間浸漬し、その直後にクロムのエッチング液（TFA chromium etchant、Transene）にガラススライドを５〜１０秒間浸漬することによりウエットエッチングプロセスを行った。ガラススライドをアセトンでリンスしてフォトレジストの残渣を除去した後、ガラススライドを水で洗浄し、窒素ガスで乾燥した。ガラススライドの上に酸化シリコンを１００nmに堆積し、電解や誘電泳動を防止した。
【００３４】
マイクロ流体チャネルは、標準的なソフトリソグラフィ法（図３参照）を用いて作製した。PDMS又はSU-8エポキシの基板を使用し得る。この実施形態ではPDMSを使用した。４インチのシリコンウエハにフォトレジストを１０５０RPM、３０秒間スピンコートして厚さが１５０mの原版を作製した。パターニングされた配線を備えたガラススライドとマイクロチャネルとを酸素ガスに１分間暴露した後、それらを相互に接合した。更に詳細には、清浄化されたシリコンウエハの上にフォトレジストをスピンコートした。次いで、ホットプレートの上でシリコンウエハを５０℃で５分間、及び８５℃で１２分間ベークした。露光プロセスは、マスクレスライタ又はマスクアライナを用いて、３６５nmの波長下で２０〜３０秒間行った。露光したシリコンウエハは、ホットプレートの上で、５０℃で５分及び８５℃で１２分ベークした。その後、露光したシリコンウエハをフォトレジスト現像液で３〜６分間現像した。現像したシリコンウエハを水でリンスした後、空気で乾燥し、フォトレジストの型を作製した。マイクロチャネルは、ベース樹脂と架橋剤とを１０：１の割合としたポリジメチルシロキサン（Polydimethylsiloxane：PDMS）を対応するシリコンウエハ上にキャスティングすることにより作製した。シリコンウエハの型を、対流式オーブンの中で６０℃、３時間ベークした。得られたPDMSのレプリカをウエハの型から剥離した。マイクロヒータによりパターン化されたPDMSのレプリカ及びガラススライドとを、酸素プラズマ又は空気プラズマに１分間暴露した。PDMSレプリカをマイクロヒータに位置合わせし、集積モノシリックデバイスを作製した。集積マイクロ流体集積デバイスを９０℃のホットプレートの上に１時間載置して接着力を強め、それにより本実施形態のデバイスの製造を終えた。
【００３５】
＜IV. 温度制御と画像解析＞
オンチップ温度制御は、電源とデジタルマルチメータに接続された特注のLabVIEW仮想インターフェースを使用することで実現できる。マイクロヒータと温度センサとの対は、マイクロチャネルの中心線に沿って位置している（図１（ａ）〜（ｃ）参照）。これらの図に示される蛇行した内側及び外側のパターン（又は、矩形波状のパターン）は、それぞれマイクロヒータ及び温度センサである。高精度のプログラマブル電源（BK Precision、9124）をマイクロヒータ用の電源として使用する。温度コントローラについては、マイコンボード（Arduino、UNO-R3）を使用して、マイクロヒータの加熱電圧の微細電流制御を行うためのMOSFETスイッチモジュールに、プログラムされたパルス幅変調(PWM)を入力するする。デジタルマルチメータ（1300個のスイッチモジュールを備えたKeithley 2700）を使用して、温度センサの抵抗を測定する。抵抗は、温度センサの校正で得られた抵抗−温度関係により、温度に読み替えられる。また、マイクロ流体チャネルに流体を導入するために、注射器ポンプ（Cetoni、neMESYS Base 120）を使用する。
【００３６】
そして、液滴ダイナミクスを観察するために、倒立顕微鏡(Nikon、Eclipse Ti-U)の上にマイクロ流体デバイスを載置する。液滴がT字の接合部分で形成されて狭窄領域に向けて移動すると、７２０×８００ピクセルの解像度で１秒当たりのフレーム数が２０００フレーム（fps）のハイスピードカメラ（Phantom vision research, M310）で液滴の画像が記録され、液滴の変形が捉えられる。u(x)と
【数１０】
2019518959.tif 000012
とが導出される遷移時間t(x)によって実験誤差が主に生ずるため、ハイスピード撮影により液滴の正確な位置を得ることができる。処理領域における各々の液滴に対して少なくとも百枚の画像が撮像され、質量中心を特定するために処理される。そして、t(x)、u(x)、
【数１１】
2019518959.tif 000013
及び液滴の変形D=(l-b)/(l+b)を得る。ここで、l及びbは、液滴の中心からその表面までの最大距離及び最小距離である（図１（ｂ）参照）。
【００３７】
＜V. オンチップ温度制御−数値シミュレーションと実験結果＞
ジュール加熱は、電気エネルギが材料の抵抗損失によって熱に変換されるときに生じる。マイクロパターン化されたワイヤ（すなわちマイクロヒータ）に電圧が印加されると、抵抗性のクロム層がジュール加熱を引き起こす。マイクロ流体デバイスに集積されたマイクロヒータにより形成される温度プロファイルを調べるために、以下の基本的な熱輸送原理を温度プロファイルシミュレーションに適用した。
【００３８】
熱輸送は、
【数１２】
2019518959.tif 000014
で支配される。ここで、ρ、Cp、T、t、k、及びQは、それぞれ密度、比熱、温度、時間、熱伝導率、及び熱源である。この熱輸送方程式は、マイクロヒータで生成された熱源を用いて解かれる。マイクロヒータの内側において生成される単位体積当たりの熱源はQ=J?E=σ(∇V)2により与えられる。ここで、J=σEは電流密度であり、E=-∇Vは、電位の勾配により定められる電場である。また、σは、マイクロヒータの電気伝導度である。金、ニクロム、水、ガラス、及び空気等の材料の性質を表すシミュレーションパラメータとして、数値シミュレーションにおいて使用されており、よく知られた値を採用した。また、マイクロヒータが流体に直接接しており、かつその背面がガラススライドに接していると仮定する。図４は、シミュレーション条件と数値シミュレーションの結果とを示す図である。図４（ａ）は、熱輸送方程式を解く際に課した境界条件と初期条件とを示す図であり、図４（ｂ）は、数値シミュレーションで得られた電場電位を示し、図４（ｃ）は、数値シミュレーションで得られた温度分布を示し、図４（ｄ）は、数値シミュレーションで得られた温度勾配の分布を示示す。また、図４（ｅ）は、蛍光顕微鏡を用いて２０℃及び４０℃で捉えた、エポキシベースのマイクロチップの内部での水溶液中のローダミンＢの蛍光強度を示す図である。操作の最中、マイクロヒータの層が、熱源となる熱を生成する。熱源は、流体とガラス側のそれぞれの表面において、それぞれ内側に向かう熱流束と外側に向かう熱流束として伝搬する。系が定常状態に達すると、マイクロヒータは、その上側の熱を流体に向けて散逸し、その下側の熱をガラススライドに向けて散逸する。対流熱流束q0=H(Text-T)は、熱輸送係数と液体の温度とを用いてマイクロヒータ側に適用される。また、マイクロヒータの裏側はガラスに接している。ここで、Textは液体の温度(Twater)であり、Tは抵抗加熱により与えられる温度である。ガラススライドの端とマイクロチャネルとは熱的に絶縁されていると仮定した（n?q=0）。マイクロヒータによる温度変化を特徴付けるために、マイクロヒータの一端に５ボルトの電圧(Velectric)を印加し、他端(Vground)は接地した。マイクロパターンの幅が完全に一定であると仮定して（図４（ｂ）参照）、図４（ａ）に要約される境界条件で式（４）の熱方程式を解くと、電位の勾配はマイクロヒータを通じて均一となる。電位の均一な勾配により、温度がマイクロヒータを通じて均一となる（図４（ｃ）参照）。シミュレーションは、これはヒータの幅が突然縮小することから生ずる、マイクロヒータの出口よりも入口の方が僅かに温度が高いにもかかわらず、マイクロヒータの中心線に沿った温度勾配がほとんど一定であることを示している（図４（ｄ）参照）。
【００３９】
蛍光信号の強度比に基づいた温度マッピングは、実験的に温度分布を調査するために広く使用されている。ここで、我々は、マイクロチャネルの内部のin-situ温度プロファイルを検出するために、温度感受性の蛍光分子としてローダミンBを使用した。但し、ローダミンBはPDMS基板に吸収され得るため、温度検証に誤差が生じ得る。マイクロデバイスの内部の温度をより正確に検証するために、我々は、化学吸収を最小にする傾向があるエポキシベースの材料として、エポキシベースのSU-8マイクロチップを更に作製した。そして、我々は、新しいエポキシデバイスのセットを用いて、強度を検証する実験を行った。SU-8マイクロチップは、時間が３０分に達するまで、チップ内へのローダミンBの吸収の阻害を示す、PDMSをベースとしたデバイスに対する顕著な改善を示すことが確かめられた。しかしながら、負に帯電したエポキシ表面への吸着に起因して、ローダミンBの少量の表面吸着が持続した。そして、我々は、２５℃?T?７０℃の範囲の異なる温度において、SU-8マイクロチャネルにおける蛍光強度を測定した。図４（ｅ）の例を参照。
【００４０】
図５は、集積デバイスを用いた温度の検証と制御とを示す図である。図５（ａ）は、４０℃における数値シミュレーションと実験とで得られたマイクロヒータの中心線に沿った温度勾配を示す図である。図５（ｂ）は、室温から７０℃まで変化させた設定温度(TS)と、温度センサによって測定された検出温度(TD)とを示す図である。図５（ｂ）に挿入されたグラフは、TDがTSに到達した後の、局部温度制御誤差のヒストグラムを示す。室温及び特定の温度での蛍光信号をそれぞれS(RT)、S(T)で定義する。規格化された蛍光強度は
【数１３】
2019518959.tif 000015
で定義される。
【００４１】
そして、校正曲線が、１００個ものデータポイントを有する２５℃?T?７０℃の温度範囲において得られ、線型傾向を示した（図５（ａ）の左側の挿入図を参照）。これにより、ローダミンBの規格化強度I(T)は線形曲線で近似することができ、以下の経験的な変換規則が得られる：
【数１４】
2019518959.tif 000016
【００４２】
次に、所定の温度でマイクロチャネルにおいてx方向に沿った蛍光強度を測定した。強度は、二次の多項式曲線（図５（ａ）の右側の挿入図を参照）で近似した。温度、強度、及び位置xの間に連鎖律を適用することにより、式６は、
【数１５】
2019518959.tif 000017
となる。この関係に基づき、x方向に沿った温度勾配dT/dxの実験値を得た。図５（ａ）に示されるように、デバイスを通じて測定された空間的な温度変動は、x方向に沿ってほとんどゼロの温度勾配を示し、シミュレーションと良好な一致を示した。更に、異なるY-位置におけるdT/dxを測定したところ、異なるY-位置においてdT/dxは顕著には変化しなかった。液滴変形のための処理領域の長さが１mmのオーダであるとすると、温度変化が小さいことにより、非混和性又は部分的に混和性のある液体のIFTを信頼性と正確性をもって測定することができる。
【００４３】
また、LabVIEWコードの能動的フィードバック制御を利用してマイクロヒータで設定温度TSを与えながら、デバイスにおける平均検出温度TDを温度センサでモニタした。温度を上昇させるために、階段状のTS関数を与えた（図４（ｂ）参照）。TD<TSを制限するために、マイクロヒータに印加される電流を能動的フィードバックコントローラで制限した。温度が平衡温度に達すると、TSとTDとの間の相対標準偏差がσ=0.0755℃と小さくなることが確認された（図４（ｂ）の挿入図を参照）。このような実験的な検証により、この開示の実施形態に係る集積マイクロ流体張力測定プラットフォームが、温度依存性のある界面張力や過渡的な界面張力を特徴付けるのに重要な、高精度かつ迅速な応答性を有する直接的なリアルタイム温度制御を提供できることが示された。
【００４４】
＜VI. 液滴の変形を通じたIFT測定＞
＜VI-1. 室温におけるIFT測定＞
本開示の実施形態に係るデバイスを用い、上記した方法を採用することにより、液滴のリアルタイム追跡とIFT測定とを行った。
【００４５】
図６は、室温におけるシリコーンオイル（連続相）と５０wt%のグリセロール（分散相）との間の界面張力を得るために液滴をリアルタイムに追跡したときの様々なデータを示す。図６（ａ）は通過時間t(x)を示し、図６（ｂ）は液滴の質量中心に沿った伸長速度(ε-1)を示し、図６（ｃ）は液滴の大きさa0で規格化した無次元の変形パラメータDを示し（挿入されたグラフは、液滴の最大直径と最小直径を示す）、図６（ｄ）は、時間間隔中に収集した実験データであって、式３に基づいた界面張力σが傾きで表されている。なお、実線は、線形曲線の当てはめ示す。所定の温度Tにおいて、各々の液滴の質量中心の位置をx方向に沿って追跡し、通過時間t(x)と対応する速度u(x)とを得る。図１（ｂ）と図６（ａ）を参照。三次の滑らかなスプライン曲線はu(x)を効率的に近似するために用いた。伸長流の流量
【数１６】
2019518959.tif 000018
は、速度を時間で微分することにより得る（図６（ｂ）参照）。液滴の変形パラメータD(x)=(l-b)/(l+b)は、x方向に沿って得る（図６（ｃ）参照）。また、０．１５を超える大きな変形値を排除するために、D(x)を滑らかなスプライン曲線で近似した。D(x)を近似する多項式を微分すると∂D(x,T)/∂xを得る。式（３）を参照すると、パラメータ
【数１７】
2019518959.tif 000019
は、液滴をリアルタイムに追跡することにより得られる。一方、レオロジー的なパラメータ
【数１８】
2019518959.tif 000020
は、せん断バルクレオメータで測定した。そして、界面張力σは、線形曲線近似により式（３）から直接得ることができる（図６（ｄ）参照）。この線型近似は、Cabral et al.（非特許文献３２）が提案する閉じ込め基準に従って、0.3?D(x)/a0?2の穏やかな変形に対して有効である。系の温度が変化しないという条件では、D(x)/a0の誤差は、曲線近似とその微分∂D/∂xによって支配される。液滴の長半径又は短半径の偏差が１％に達すると、IFTは１５％まで変化し得る。
【００４６】
室温におけるIFTを調べるために、本開示の実施形態に係るマイクロ流体張力計を用いて、室温でのIFTを得るために、四つの流体ペア（オイルのキャリア流体中の水又は含水グリセロール液滴、又は、含水グリセロールのキャリア流体中の気泡）を調査した。測定値は、従来のペンダントドロップ法で得られた値と比較された（図７参照）。
【００４７】
図７は、室温における異なるキャリア流体における四つの個々の液滴（水、含水グリセロール、又は空気）の界面張力測定のデータを示す。液滴の変形D/a0は、マイクロ流体デバイス内を液滴が移動するのにつれて、撮像され計算された。実線は、各々の液滴の実験データに対する線形回帰分析を示し、その傾きによって界面張力(mNm-1)が表される。括弧内のデータは、ペンダントドロップ法によって得られた。これらの図に示されるように、室温においては、マイクロ流体張力計で測定されたIFTは、ペンダントドロップ張力測定で得られた結果と良く一致している。
【００４８】
＜VI-2. 温度に依存したIFT＞
室温でのマイクロ流体張力計の性能を検証した後、温度に依存した張力計の性能を測定した。ペンダントドロップ法では、加熱ステージ又はチャンバによって生じた熱勾配に起因した強制的な熱対流が実験中に必ず生じ、これにより画像解析の最中に液滴の形状が歪められる。液滴に基づいたマイクロ流体張力計では、プラットフォームが少ないサンプル量しか必要とせず、またデバイスを通じて流体の流れが連続であるため、強制的な熱対流やチャネルに沿った温度勾配を最小にすることができる。IFTに対する温度の影響を調査するため、シリコーンオイルと５０wt%の含水グリセロールとをそれぞれキャリア及び分散相として使用した。図８は、様々な温度における、５０wt%の含水グリセロール液滴のシリコーンオイル中での変形の実験解析を示すテイラープロットである。液滴の変形は、系の温度が上昇するにつれて減少する。図８のテイラープロットは、（界面張力と等価な）傾きが、温度上昇と共に減少することを示している。図に示されるように、シリコーンオイルと５０wt%の含水グリセロールとの間の傾きは、温度上昇と共に減少する。また、流量を１０００μl/hrにし、２２〜７０℃の範囲の様々な温度における流れ方向に沿った液滴の変形も特定した。興味深いことに、温度上昇と共にキャリア流体の粘性が顕著に低下し、これによりキャリア流体から液滴に作用する牽引力が小さくなるため、高温では液滴があまり変形しないことがわかった。ここで、ヒートブレーク鋼平行板（直径４００mm）を用いて、５００s-1のせん断率で、ひずみ制御レオメータ（ARES-G2、TA instruments）でサンプルのせん断粘度を測定した。これにより、温度上昇と共にIFTが減少することが分かった。
【００４９】
有効粘性率と液滴の変形とがIFT測定に与える影響を調査するため、IFTの温度依存性が異なる二種類の液体の組み合わせのIFT測定結果を比較した。図９（ａ）は、二種類の液体の組み合わせについての界面張力の測定結果を示す。液体の組み合わせは、シリコーンオイル（連続相）と５０wt%の含水グリセロール（分散相）、及び鉱油（連続相）と５０wt%の含水グリセロール（分散相）である。白印と黒印は、それぞれペンダントドロップ法と本開示の実施形態に係るマイクロ流体張力計とを用いて得られた結果を示す。５０wt%の含水グリセロール/シリコーン液体では、ηc(T)（シリコーンオイル）がηd(T)（５０wt%のグリセロール）よりも速く減少するため、温度上昇と共に有効粘性率α(T)ηc(T)が減少している。式（３）において温度に依存するパラメータはηc(T)、ηd(T)、α(T)ηd(T)、及びD(x,T)である。そのため、σ(T)は、牽引力と界面張力との比に比例する。液滴に基づいたマイクロ流体的なアプローチは、伸長流場下の液滴の変形に依存するため、変形因子D(x,T)がIFTを決定する主な要因となる。α(T)や
【数１９】
2019518959.tif 000021
等の粘性が固定されているという条件の下でD(x,T)が大きくなるとIFTは小さくなる。しかしながら、温度と共にα(T)と
【数２０】
2019518959.tif 000022
とが変化すると、σ(T)は比α(T)ηc(T)/D(x,T)で決定される。その結果、温度上昇に伴って液滴があまり変形しなくても、α(T)ηc(T)の変化によってIFTが減少する。５０wt%のグリセロール/鉱油の場合では、温度変化に対して有効粘性率は顕著には変化せず、これにより温度上昇によるIFTの減少は比較的小さくなる。
【００５０】
液滴に基づいたマイクロ流体的なアプローチで得られた値と比較するために、ペンダントドロップ法によってもIFTを測定した。図９（ｂ）は、本発明に係るマイクロ流体的な方法とペンダントドロップ法とで得られた測定値の確率密度とガウス分布とを示す図である。マイクロ流体に基づいた張力計を検証するために我々がペンダントドロップ法を使用した主な理由は、温度チャンバで環境温度を制御できる能力がペンダントドロップ法にあり、これにより小さなサンプル量を必要とするだけで短時間で妥当な精度が得られるためである。しかしながら、力平衡法（例えばWihelmyプレート法やデュヌイリング法）は、測定前にトラフ内でサンプルを準備及び装填するのに長い時間が必要である。温度に関連した測定では、（サンプルが装填されている）トラフが大きく、また大気に直接開放されているため、温度上昇に伴って液体の蒸発が問題になり、これにより測定誤差が生じてしまう。力平衡法と比較して、ペンダントドロップ法は、温度に依存した界面張力を測定するためのマイクロ流体的なアプローチに対する最善な比較ツールとして選択された。
【００５１】
期待した通り、両方の方法で得られたデータは、温度変化に対して同じような傾向を示した。液滴を用いたマイクロ流体張力計では、ペンダントドロップ装置において温度が上昇したときの液体チャンバ内の強制的な熱対流によって引き起こされる可能性が高い、ペンダントドロップ法のものと比較して偏差が小さいより再現性が高いデータが得らる。両方の測定アプローチでは、IFT値のメジアンを得るために、各々の温度において多数の測定が行われる。図９（ｂ）のガウス関数の分布は、統計的な不確実さを有するIFTのメジアンを示している。ペンダントドロップ法で得られた値は、マイクロ流体張力計で得られた値と比較して広い分布を示している。
【００５２】
本開示において記載された、液滴ベースのマイクロフルイディクスを使用する温度制御張力計は、以下のように様々なシナリオで正確な測定をすることができる。（１）界面上で起こる界面反応及び／又は界面物質移動。界面反応及び/又は物質移動は、通常高速でありかつ温度に依存する。反応過程（ポテンシャルエネルギ面と反応の活性化エネルギとを含む）は熱力学的に決定されるため、界面における反応速度は、温度変化に対して顕著に異なる。（２）急激な温度ジャンプにわたって非混和−混和遷移をしている液系の過渡的な界面張力を調査することができる。我々のプラットフォームにより、局所領域における高速な温度遷移を制御かつ引き起こすことができる。このプラットフォームは、上部臨界溶解温度UCST)を有するイソ酪酸(IBA)と水との組み合わせ等のように非混和性液体から混和性液体への遷移を捉えることができる。（３）相変化及び/又は分離システム。液晶(LCs)は、LC滴の内部の分子配向が変化する臨界温度で相変化が生じる良い例である。膜形成及び分子鎖構造の動力学と熱力学とを制御することにより、ナノスケール相分離が生じる。そのような場合、液界面における界面ダイナミクスは、ナノスケールの相分離の際に測定することができる。我々の温度制御可能なマイクロ流体的プラットフォームは、濾過、沈殿、石油精製、食品、化粧品、及び製薬産業等の工業的かつバイオテクノロジー的な多くの工程で至る所にみられる多相流ダイナミクスを研究するのに役に立つと期待される。
【００５３】
本開示では、非混和性液体の温度に依存した界面張力を測定するために、温度が制御される新規なマイクロ流体張力計が提供される。このマイクロ流体プラットフォームは、汚染がないクリーンな環境、流体の低熱対流、及びオンチップで正確に制御される温度によって、迅速で一貫性のある界面張力の測定を可能とする。一つの側面では、マイクロ流体デバイスと一体化された蛇行したマイクロヒータは、平衡温度に達すると、流れ方向に沿った温度勾配が少なく温度変化が小さいという特性を有しており、これにより界面張力を正確に測定するためのデバイスにおいて正確な温度制御が提供される。このマイクロ流体張力計は、原油の精製や生体高分子系における相分離等の工業的な応用において重要である非混和性液体と混和性液体との組み合わせの過渡的かつ動的挙動を調査するのに有用である。
【００５４】
本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々改良及び変形が実施可能であることは、当業者にとって明らかである。したがって、本発明は、添付の請求項及びそれと均等な物の範囲内の改良及び変形に及ぶ。具体的には、上述した実施形態及びその改良のうち２以上の一部又はすべてを、本発明の要旨の範囲内で組み合わせたり、考慮したりできることは、明白である。
【図１】
2019518959.tif 000023
【図２（ａ）】
2019518959.tif 000024
【図２（ｂ）】
2019518959.tif 000025
【図３】
2019518959.tif 000026
【図４】
2019518959.tif 000027
【図５（ａ）】
2019518959.tif 000028
【図５（ｂ）】
2019518959.tif 000029
【図６】
2019518959.tif 000030
【図７】
2019518959.tif 000031
【図８】
2019518959.tif 000032
【図９（ａ）】
2019518959.tif 000033
【図９（ｂ）】
2019518959.tif 000034
【手続補正書】
【提出日】平成31年2月13日(2019.2.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
マイクロ流体チャネルは、標準的なソフトリソグラフィ法（図３参照）を用いて作製した。PDMS又はSU-8エポキシの基板を使用し得る。この実施形態ではPDMSを使用した。４インチのシリコンウエハにフォトレジストを１０５０RPM、３０秒間スピンコートして厚さが１５０μmの原版を作製した。パターニングされた配線を備えたガラススライドとマイクロチャネルとを酸素ガスに１分間暴露した後、それらを相互に接合した。更に詳細には、清浄化されたシリコンウエハの上にフォトレジストをスピンコートした。次いで、ホットプレートの上でシリコンウエハを５０℃で５分間、及び８５℃で１２分間ベークした。露光プロセスは、マスクレスライタ又はマスクアライナを用いて、３６５nmの波長下で２０〜３０秒間行った。露光したシリコンウエハは、ホットプレートの上で、５０℃で５分及び８５℃で１２分ベークした。その後、露光したシリコンウエハをフォトレジスト現像液で３〜６分間現像した。現像したシリコンウエハを水でリンスした後、空気で乾燥し、フォトレジストの型を作製した。マイクロチャネルは、ベース樹脂と架橋剤とを１０：１の割合としたポリジメチルシロキサン（Polydimethylsiloxane：PDMS）を対応するシリコンウエハ上にキャスティングすることにより作製した。シリコンウエハの型を、対流式オーブンの中で６０℃、３時間ベークした。得られたPDMSのレプリカをウエハの型から剥離した。マイクロヒータによりパターン化されたPDMSのレプリカ及びガラススライドとを、酸素プラズマ又は空気プラズマに１分間暴露した。PDMSレプリカをマイクロヒータに位置合わせし、集積モノシリックデバイスを作製した。集積マイクロ流体集積デバイスを９０℃のホットプレートの上に１時間載置して接着力を強め、それにより本実施形態のデバイスの製造を終えた。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
また、LabVIEWコードの能動的フィードバック制御を利用してマイクロヒータで設定温度TSを与えながら、デバイスにおける平均検出温度TDを温度センサでモニタした。温度を上昇させるために、階段状のTS関数を与えた（図５（ｂ）参照）。TD<TSを制限するために、マイクロヒータに印加される電流を能動的フィードバックコントローラで制限した。温度が平衡温度に達すると、TSとTDとの間の相対標準偏差がσ=0.0755℃と小さくなることが確認された（図５（ｂ）の挿入図を参照）。このような実験的な検証により、この開示の実施形態に係る集積マイクロ流体張力測定プラットフォームが、温度依存性のある界面張力や過渡的な界面張力を特徴付けるのに重要な、高精度かつ迅速な応答性を有する直接的なリアルタイム温度制御を提供できることが示された。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
本開示において記載された、液滴ベースのマイクロフルイディクスを使用する温度制御張力計は、以下のように様々なシナリオで正確な測定をすることができる。（１）界面上で起こる界面反応及び／又は界面物質移動。界面反応及び/又は物質移動は、通常高速でありかつ温度に依存する。反応過程（ポテンシャルエネルギ面と反応の活性化エネルギとを含む）は熱力学的に決定されるため、界面における反応速度は、温度変化に対して顕著に異なる。（２）急激な温度ジャンプにわたって非混和−混和遷移をしている液系の過渡的な界面張力を調査することができる。我々のプラットフォームにより、局所領域における高速な温度遷移を制御かつ引き起こすことができる。このプラットフォームは、上部臨界溶解温度(UCST)を有するイソ酪酸(IBA)と水との組み合わせ等のように非混和性液体から混和性液体への遷移を捉えることができる。（３）相変化及び/又は分離システム。液晶(LCs)は、LC滴の内部の分子配向が変化する臨界温度で相変化が生じる良い例である。膜形成及び分子鎖構造の動力学と熱力学とを制御することにより、ナノスケール相分離が生じる。そのような場合、液界面における界面ダイナミクスは、ナノスケールの相分離の際に測定することができる。我々の温度制御可能なマイクロ流体的プラットフォームは、濾過、沈殿、石油精製、食品、化粧品、及び製薬産業等の工業的かつバイオテクノロジー的な多くの工程で至る所にみられる多相流ダイナミクスを研究するのに役に立つと期待される。
【国際調査報告】
2019518959.tif 000035
2019518959.tif 000036