(57)【要約】【課題】μーＴＡＳ技術を実現のための、送液用のマイクロポンプを実現する。【解決方法】マイクロチャネルの流路に光吸収体を密着させ、流路に液体をみたし、光ビームを照射して、マイクロチャネル内に単一気泡を発生・成長させ、形成した単一気泡を流路の特定部位に固定させた状態で、その界面に非対称の温度勾配を付与し、発生するマランゴニ対流現象を利用し、マイクロチャネル内の流体の移送を行うマイクロポンプを提供する。【選択図】図３
2008116381.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、液体の流路となる溝を形成したマイクロチャネル内に設置するマイクロポンプであって、前記流路上の基板面に密着した光吸収体を形成し、前記マイクロチャネルに蓋をし、液体を満たした後、前記光吸収体に、光ビームを照射し、第一の加熱スポットを発現させ、前記スポットを中心とした単一気泡を発生させ、前記マイクロチャネルの内壁に達するまで前記単一気泡を成長させ、前記単一気泡を前記流路内の固定部位に形成した後、前記単一気泡の気泡中心と気泡端の間の特定位置真下の光吸収体に光ビームを照射し、第二の加熱スポットを発現させ、前記単一気泡特定位置を加熱し、前記単一気泡界面に非対称の温度勾配を付与し、前記単一気泡界面に発生するマランゴニ対流の作用により、前記マイクロチャネル内の液体を送出する、マイクロポンプ。
【請求項２】
基板上に、液体の流路となる複数の溝が交差する流路を形成したマイクロチャネル内に設置するマイクロポンプであって、前記交差部基板面に密着した光吸収体を形成し、前記マイクロチャネルに蓋をし液体を充填後、前記マイクロチャネル内の液体の流れだしを防止した後、前記光吸収体に、光ビームを照射し、第一の加熱スポットを発現させ、前記交差部に単一気泡を発生させ、前記マイクロチャネルの内壁に達するまで前記単一気泡を成長させ、前記単一気泡を前記流路交差部に固定して形成後、前記単一気泡の気泡中心と気泡端との間の特定位置真下の光吸収体に光ビームを照射し、第二の加熱スポットを発現させることで、前記単一気泡特定位置を加熱し、前記単一気泡界面に非対称の温度勾配を付与し、前記単一気泡界面に発生するマランゴニ対流の作用により、前記マイクロチャネル内の液体を、前記複数の流路より選択した流路内の液体を送出するミキシング機能、または、前記複数の流路より、選択した流路内の液体を別の流路に送出するスイッチング機能を有する、マイクロポンプ。
【請求項３】
マイクロチャネル内の液体を、流路より送出するために、第一の加熱スポットの発現により前記マイクロチャネル内に発生させ、前記流路に固定して形成した単一気泡の、気泡中心と気泡端の間の特定の位置の真下の光吸収体を光ビームで照射し、第二の加熱スポットを発現し、前記単一気泡の前記特定の位置を加熱することで、前記単一気泡界面に非対称の温度勾配を付与し、前記単一気泡の高温側を上流として、低温側に前記マイクロチャネル内の液体の送出を行う、請求項１〜２のいずれかに記載のマイクロポンプ。
【請求項４】
光吸収体が、金属、無機物あるいは有機物のいずれかを含む光吸収体であり、光ビーム照射により、前記光吸収体が変形や揮散がなく、剥離を生じないように基板に密着して形成した一箇所以上の光吸収体である、請求項１〜３のいずれかに記載の、マイクロポンプ。
【請求項５】
基板上に、液体の流路となる溝を形成し、蓋をしたマイクロチャネルの流路に充填した液体を移送する方法であって、前記マイクロチャネル内の基板上の流路面に密着した光吸収体を形成し、前記流路に液体を充填後、前記光吸収体に光ビームを照射して、第一の加熱スポットを発現し、前記加熱スポットからの熱で、前記マイクロチャネル流路内に前記加熱スポットを中心にした単一気泡を発生させ、前記マイクロチャネル内壁に接するまで、前記単一気泡を成長させ、前記単一気泡を、前記マイクロチャネルの流路に固定後、前記固定した単一気泡の気泡中心と気泡端の間の特定位置真下の光吸収体に光ビームを照射し、第二の加熱スポットを発現し、前記特定位置を加熱することで、前記単一気泡界面に非対称な温度勾配を付与し、前記単一気泡界面に発生するマランゴニ対流の作用により、前記単一気泡の高温側を上流として、前記単一気泡界面に接している前記液体を連続的に流動させ、前記マイクロチャネル内の液体を移送する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学分析や有機合成を微量の試薬で行い、分析や反応の自動化、並列化、装置全体をマイクロチップ上に集積化する技術、μーＴＡＳ(Micro Total Analysisi Method)でも使用可能なマイクロポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
遺伝子工学や環境関連分野などにおいて、研究開発を迅速に行う手法の重要性が増しており、流路構造や流体制御素子、検出器などをマイクロマシニング技術を用いて小型化したμーＴＡＳ技術を実現のためには、送液用のマイクロポンプの実現が不可欠である。しかし、マイクロスケールでは流体の振る舞いが通常のスケールとは大きく異なり、流体操作が難しくなる。
【０００３】
粘性流体に働く力には、大きく分けて慣性力と粘性力があり、これらの比を表す無次元数としてレイノルズ数(Reynolds number)がある。レイノルズ数が小さい流れは粘性的な流れであり、レイノルズ数が大きい流れは粘性の影響が少なく慣性力が支配する流れを意味する。マイクロスケールではレイノルズ数が非常に小さく粘性が支配する流れとなる。このため通常スケールでのポンプ機構、回転翼を用いるターボ型ポンプやピストン・シリンダーによる容積型ポンプなどは粘性摩擦が大きくなり、流体操作は困難となる。また、構造自体が複雑であり、マイクロスケール化に適さない。
【０００４】
そのため、マイクロスケールでの流体の駆動方法として、圧電素子を用いて、ダイヤフラムを駆動する方法（例えば、特許文献１）が提案されているが、駆動部を持つために加工が複雑となり、ある程度の大きさが必要となり、大きさもミリメートルオーダーのものが多い。
【０００５】
マイクロポンプのマイクロスケール化の方法として、液体が導入された流路に、マイクロヒータを連続的に並べヒーターで加熱して、流路に気泡を作り、ヒータを切り替えて、気泡がマランゴニ効果で高温部に移動する原理で、気泡を移動させる方法（例えば特許文献２）や、光ビームを照射し、流路内の液体を加熱し、流路内に気泡を発生させ、光ビームを移動させ、気泡を連続的に形成して流路内の液体を移動させる（例えば特許文献３）、あるいは、マラゴニン効果で気泡を移動させることにより流路内を移動させる（例えば特許文献４）が知られている。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２５７２３２号公報
【特許文献２】特開２００２−１１３６９８公報
【特許文献３】特表２００５-５３８２８７公報
【特許文献４】特開２００６-９０８７０公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、光ビームで単一気泡を発生させる方法は、単一気泡を発生させ、該気泡自体を移動させることで、マイクロチャネル内の流体を移動させて、一定の容量を押出す方式であり、一定の流速で連続的に移送することができない。又、再度流体を移送させるためには、一回移動した単一気泡を、開始位置に戻してから始める必要があり、マイクロチャネル内の単一気泡を発生・移動させるため、常に光ビームを移動させる必要があり、単独の光源発生装置とアクチュエータが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者等は、流体は温度変化によって表面張力が変化する性質をもっており、この気液界面に温度勾配を発生させることで表面張力分布が生じさせ、表面張力差が流体の粘性を上回ったときに、流体界面の変形、流動が引き起こされるマラゴニン対流を利用して、マイクロチャネルの流路に形成した単一気泡を固定した状態で、流体の流れを引き起こす方法を見出した。
【０００９】
この方法であれば、単一気泡の位置は固定されるので、光ビームで単一気泡を形成させた後、その単一気泡の中心部と泡の左右気泡端の間の特定位置に光ビームを照射することで、該気泡の特定部位を加熱し、該気泡の界面に非対称の温度分布を与えることにより発生するマランゴニ対流による、マイクロチャネル内の液体を、連続的に流動させ、マイクロチャネル内の流体が流路入口より送入する方法を見出した、即ち本発明のマイクロポンプは、
【００１０】
請求項１として、基板上に、液体の流路となる溝を形成したマイクロチャネル内に設置するマイクロポンプであって、前記流路上の基板面に密着した光吸収体を形成し、前記マイクロチャネルに蓋をし、液体を満たした後、前記光吸収体に、光ビームを照射し、第一の加熱スポットを発現させ、前記スポットを中心とした単一気泡を発生させ、前記マイクロチャネルの内壁に達するまで前記単一気泡を成長させ、前記単一気泡を前記流路内の固定部位に形成した後、前記単一気泡の気泡中心と気泡端の間の特定位置真下の光吸収体に光ビームを照射し、第二の加熱スポットを発現させ、前記単一気泡特定位置を加熱し、前記単一気泡界面に非対称の温度勾配を付与し、前記単一気泡界面に発生するマランゴニ対流の作用により、前記マイクロチャネル内の液体を送出する、マイクロポンプ。
【００１１】
請求項２として、基板上に、液体の流路となる複数の溝が交差する流路を形成したマイクロチャネル内に設置するマイクロポンプであって、前記交差部基板面に密着した光吸収体を形成し、前記マイクロチャネルに蓋をし液体を充填後、前記マイクロチャネル内の液体の流れだしを防止した後、前記光吸収体に、光ビームを照射し、第一の加熱スポットを発現させ、前記交差部に単一気泡を発生させ、前記マイクロチャネルの内壁に達するまで前記単一気泡を成長させ、前記単一気泡を前記流路交差部に固定して形成後、前記単一気泡の気泡中心と気泡端との間の特定位置真下の光吸収体に光ビームを照射し、第二の加熱スポットを発現させることで、前記単一気泡特定位置を加熱し、前記単一気泡界面に非対称の温度勾配を付与し、前記単一気泡界面に発生するマランゴニ対流の作用により、前記マイクロチャネル内の液体を、前記複数の流路より選択した流路内の液体を送出するミキシング機能、または、前記複数の流路より、選択した流路内の液体を別の流路に送出するスイッチング機能を有する、マイクロポンプ。
【００１２】
マイクロチャネル内の液体を、流路より送出するために、第一の加熱スポットの発現により前記マイクロチャネル内に発生させ、前記流路に固定して形成した単一気泡の、気泡中心と気泡端の間の特定の位置の真下の光吸収体を光ビームで照射し、第二の加熱スポットを発現し、前記単一気泡の前記特定の位置を加熱することで、前記単一気泡界面に非対称の温度勾配を付与し、前記単一気泡の高温側を上流として、低温側に前記マイクロチャネル内の液体の送出を行う、請求項１〜２のいずれかに記載のマイクロポンプ。
【００１３】
光吸収体が、金属、無機物あるいは有機物のいずれかを含む光吸収体であり、光ビーム照射により、前記光吸収体が変形や揮散がなく、剥離を生じないように基板に密着して形成した一箇所以上の光吸収体である。
【００１４】
基板上に、液体の流路となる溝を形成し、蓋をしたマイクロチャネルの流路に充填した液体を移送する方法であって、前記マイクロチャネル内の基板上の流路面に密着した光吸収体を形成し、前記流路に液体を充填後、前記光吸収体に光ビームを照射して、第一の加熱スポットを発現し、前記加熱スポットからの熱で、前記マイクロチャネル流路内に前記加熱スポットを中心にした単一気泡を発生させ、前記マイクロチャネル内壁に接するまで、前記単一気泡を成長させ、前記単一気泡を、前記マイクロチャネルの流路に固定後、前記固定した単一気泡の気泡中心と気泡端の間の特定位置真下の光吸収体に光ビームを照射し、第二の加熱スポットを発現し、前記特定位置を加熱することで、前記単一気泡界面に非対称な温度勾配を付与し、前記単一気泡界面に発生するマランゴニ対流の作用により、前記単一気泡の高温側を上流として、前記単一気泡界面に接している前記液体を連続的に流動させ、前記マイクロチャネル内の液体を移送する方法。
【発明の効果】
【００１５】
光ビームによって、マイクロチャンル内の指定位置に単一気泡を発生させ、発生した気泡を成長させ、マイクロチャネル内に固定し、マイクロチャネル内の流体を移送する上流側にあたる、該気泡中心からの気泡端の指定した位置を加熱することで、マイクロチャネル内の流体を、連続的に流動させ、一定流速で連続的に、移送させることが可能であり、マイクロチャネル内の液体移送用のマイクロポンプとして、また、複数のマイクロチャネル内の液体のミキシングポンプや、スイッチングポンプして利用することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
マイクロスケールで顕著になる流体の振る舞いの特徴の一つとしてマランゴニ効果がある。自由界面を有する流体中の不均一な表面張力分布によって引き起こされる対流現象で、自然対流の影響が無視できる微小重力環境下や、系に対する自由表面の割合が大きいマイクロスケールなどで顕在化する現象である
【００１７】
マランゴニ効果は気液界面において生じる現象であり、平面の界面のみでなく、気泡界面でも同様にマランゴニ効果は生じる。気泡界面でのマランゴニ対流の場合は対流が発生するだけではなく気泡の移動現象も同時に起こる。気泡に温度勾配が存在した場合、気泡界面の液体はマランゴニ効果によって、低温側へ流れようとする力が働き、気泡の低温側に周囲流体が流れ込むことよって、気泡には高温側に押し出す力が発生し、低音側へと移動する。マランゴニ効果は気泡の除去やアクチュエータとして、気泡を動かすことに注目され研究されてきたが、本発明は気泡を固定し、周囲流体を流動させるポンプとして利用する。
【００１８】
通常の液体の表面張力は温度によって変化する。液体に温度分布が存在すれば、その分布に応じた表面張力分布が発生し、力のバランスが崩れる。例えば、エチルアルコールを例にとると、図１のように、低温側は表面張力が相対的に強く、逆に高温部の表面張力は弱くなる。
【００１９】
マランゴニ対流は自由界面の表面張力差が流体の粘性力を上まわった場合、流体界面に流れが生じる現象である。これは、表面張力の大きい低温部が高温部の流体を引っ張る力が生じ、この力が流体の粘性力を上まわると高温側から低温側への流動現象が起こる。表面張力と粘性力との比を用いてマランゴニ数(Ｍａ)と呼ぶ無次元数で表し、マランゴニ対流の指標としている。
【００２０】
【数１】
2008116381.tif 000003
ここで、σ[N/m]は表面張力、ΔT[K]は流体層の界面における温度差、L[m]は代表長さ、μ[Pa・sec]は粘性係数、α[m2/sec]は熱拡散率である。対流発生条件を示す臨界マランゴニ数(Mac)を超えると、マランゴニ対流が起こる。
【００２１】
本発明者らは、このマランゴニ対流を流体の移送に応用するため、図２の概略図で構成した装置を製作した。この装置では、トレーサ粒子を配した液体を充填したガラス基板上のマイクロチャネル４０を、ステージＤ上に設置し、ステージＤの下方からYagレーザ１をミラーＭ１とハーフミラーＭ２で導き、マイクロチャネル基板面に形成した光吸収体に照射する。レーザ集光レンズＬがステージＤに固定されており、マイクロチャネル内にYagレーザ１を光吸収体に照射し、生じた熱により、マイクロチャネルの流路に発生した気泡によるレーザの散乱光をＣＣＤカメラＣに入射する。撮影画像のハレーションを防ぐために、カメラの対物レンズＯの前に赤外線カットフィルターＦを設置する。光吸収体は基板の流路面に密着して形成した。光吸収体として、金属膜とトナーの２種類の光吸収体を使用した。撮影時の照明は、光吸収体に応じて使い分け、金薄膜を光吸収体として用いるときは、反射光１２の照明を行い、トナーを混入した吸収スポットの場合には透過光１１の照明で撮影を行った。撮像された画像データはＰＣに連続静止画として保存し、撮影された静止画からＰＩＶ計測などの解析に用いた。図４はマイクロチャネル内に発生し、成長させた単一気泡２０と光吸収体３０と加熱スポット３１、３２の配置を示す模式図である。
【００２２】
ガラス基板を使用してマイクロチャネルを製造方法としては、既知の方法で良く、例えば、ＵＶ硬化樹脂を適量塗布し、平滑化した面にパターンを描いたマスクを載せ、脱泡密着した後、ＵＶ露光し、未硬化の樹脂を除いて作成する。硬化後の樹脂は、ほぼ透明なので、レーザ照射しても、大きな温度上昇を生じさせない。そこで、レーザ照射により、マイクロチャネル内の指定部位を温度上昇させて、単一気泡を発生させ固定させるための第一の加熱スポットを発現させ、更に、流動を起こすため、気泡表面に非対称の温度勾配を与えるために、単一気泡中心部よりずらした位置に、レーザ照射し、エネルギーを吸収させて熱を発生させる第二の加熱スポットを発現させる。光吸収体３０（好ましくは、光をよく吸収する黒色系統で、金属、無機物または、有機物を含み、熱による変形や揮発性がなく、基板と密着する形態であれば良い）を基板面の、単一気泡を発生させる周囲に、又は、加熱スポットする位置に複数設けた。
この光吸収体は、マイクロチャネルを作製する前にガラス基板面に、光吸収体を混合した樹脂を、コーティング、ディスペンサーで塗布し、熱やＵＶで効果する方法や、金属膜を蒸着する方法等既知の方法で形成できる。
【００２３】
図４で示した、マイクロチャネル４０内に単一気泡２０を形成する位置に、前もってガラス基板面に形成した光吸収体３０にレーザ光１を照射し、集光レンズＬで第一の加熱スポット３１に熱を蓄積し、発生する熱で、マイクロチャネル内部に単一気泡２０を生成させる。次いで、単一気泡中心と流路上流側気泡端の間の指定位置真下の光吸収体３０に第二の加熱スポット３２をレーザ照射することで発現させる。加熱スポット３２は該スポット真上の単一気泡２０の中心部よりずれた特定位置の温度を上昇させることで、単一気泡界面に非対称の温度勾配を発生させ、単一気泡界面が変形し流動するマランゴニ対流現象が生じ、単一気泡の加熱された上流側から、温度上昇のない、反対側の気泡端を下流として、単一気泡周辺の液体の流動を起こす方法である。本発明のマイクロポンプがマイクロチャネル内の液体の流動する模式図を図３で示すと、成長し、流路の一定位置に固定された単一気泡２０の気泡端部をレーザで加熱スポット３２を照射すると、照射された真上の単一気泡端部の界面温度が上昇し、単一気泡界面に非対称の温度勾配が発生し、マクロチャネル内の流体が高温部から低温部に移動するマランゴニ対流が発生し、マイクロチャンル内の流体はＦＩからＦＯに向かって移送される。この場合、光吸収体上の単一気泡発生させる、第一の加熱スポットと、発生した気泡の気泡端方向の指定場所を加熱する第二の加熱スポットは、レーザの照射角度を調整する方法や、レーザを誘電率の高い物質に通し、電圧を加えることで進行方向を制御する方法や、複数の固定した光源を使用しても良い。又、小さな光吸収体を加熱スポットごとに作製すれば、光ビーム照射による、光吸収体へ与える熱量を小さくし、単一気泡界面の加熱位置の温度上昇の精度を上げることも可能である。
【００２４】
本発明者等は、マランゴニ対流により、マイクロチャネル内に配置した固定化した単一気泡に発生させた非対称の温度勾配の付与による、マイクロチャネル内の流体が流動する様子を観察し、流速を測定する方法として、流体中にトレーサ粒子を配し、このトレーサ粒子をレーザのシート光により可視化し、その細分化した微少領域内の粒子濃度パターンよりシート面内の３次元速度ベクトルを測定するＰＩＶ（Parcticle image Velocimetly）法を使用し測定した。ＰＩＶは流れの可視化法の一種で、流れ中にトレーサ微粒子の流れの様子をビデオカメラなどで撮影し、ある領域における粒子像について、一定の時間間隔で撮像された２枚の画像を用意し、その領域内の輝度値の相関関係を比較し、相関値の大きな座標に流れたとして、流速を知る方法である。トレーサ粒子の動きを撮影した画像データはＰＣに連続静止画として保存される。撮影された静止画からＰＩＶ計測などの解析を行った。
【００２５】
大きな気泡に非対称の温度勾配を与えるためには熱量も大きくなり、最大流量も速くなるが、気泡は限度なく成長するので、μーＴＡＳなどのマイクロチャネル内に組み込むポンプとしては不適当である。組み込み型のマイクロポンプとして用いるには気泡サイズの制御を行いながら駆動させる必要がある。
【００２６】
液体で満たされたマイクロチャネル内で単一気泡を発生させるため、金薄膜、トナー入り接着剤の２種類の光吸収体を用いて、レーザによる気泡発生・成長の様子を、撮像し、気泡径の変化を調べた。
実験手順は、
マイクロチャネルを作製していないガラス基板に、
加熱スポットより大きなサイズで金薄膜、トナーを密着させた光吸収体を作製する。
吸収体密着した基板を実験装置にセットし、100μmスペーサを置き、その上にガラス基板を重ね、その隙間をエタノールで満たす。
レーザをそれぞれの光吸収体に照射し、第一の加熱スポット、第二の加熱スポットを発現させ、気泡の発生・成長をＣＣＤカメラで撮像する。
という手順で行った。
【００２７】
光吸収体が金薄膜の場合、気泡を維持・成長させるには25mW程度のレーザ強度が必要である。また、光吸収体がトナーの場合、10mW以上のレーザ強度が必要であり、20mW以上の強度のレーザを照射しても成長速度は変わらないことが分かった。
【００２８】
又、レーザ照射をやめた場合、遮断前の気泡が直径100μm以上の気泡の場合は多少小さくなるが、5分以上同程度の大きさで存在し続けるが、気泡が100μm以下の気泡は初期気泡サイズに応じた時間で消滅することが分かった。
【００２９】
これらのことから、ポンプ駆動実験の際に光吸収体として金薄膜を用いるときは、レーザ強度を25mWとし、光吸収体がトナーの場合はレーザ強度を20mWとした。また、一度単一気泡を発生させた後、数分後に再度、流動・停止を繰り返すときに、単一気泡は消滅せずに残っているので、レーザ光のＯＮ／ＯＦＦのみで迅速な制御が可能だと考えられる。
【実施例１】
【００３０】
幅100μm×長さ500μmの直線流路のマスクを用いてマイクロチャネルの作製を行った。作製したマイクロチャネルは幅110μm±10、長さ430±50μm程度であった。光吸収体は、質量比10:1程度で、光硬化樹脂にトナーを混ぜたものを使用した。トナー入りの樹脂を、液圧マニピュレータに取り付けた針(針先径30μm程度)に塗りつけ、針先をＣＣＤ顕微鏡で撮影しながら操作し、マイクロチャネル内に光吸収用のトナースポットを作製した。
【００３１】
これらのマイクロチャネルに加熱スポットより大きな光吸収体を作成し、20mWのYagレーザを照射し以下の手順で実験を行った。
作製したマイクロチャネルを実験装置のステージ上に設置し、別のガラス基板をかぶせることで、幅100×長さ500×高さ100μmの流路にする。
ＰＩＶ計測用のトレーサとして直径６μmのポリスチレンラテックス球を混入したエタノールでマイクロチャネル内を満たす。
レーザをマイクロチャネルの気泡発生部位の第一の加熱スポットに照射し、単一気泡を発生させ、図４のように、気泡径が流路幅を超え流路入り口に接する位置まで成長させる。次いで、該単一気泡端の真下部に第二の加熱スポットを移動し、気泡に非対称な温度分布を与え、マイクロチャネル内の流体を流動させる。
このときの流動の様子をＣＣＤカメラ(30fps、シャッタースピード1/2000sec)で撮像する。
撮影された連続画像を用いて、流動開始1〜2秒後から3.333秒間(画像100枚)のＰＩＶ計測を行い、平均流速を求める。
上記の手順で実験を行い、その結果、最大で４ｍｍ/sec程度の流速が得られた。
【実施例２】
【００３２】
マイクロチャネル内に発生させる、単一気泡のサイズを一定に保ちながら流動させる実験を行った。気泡サイズは前章の基礎実験の結果から、20mWレーザ照射時には30μm程度の加熱スポットで気泡を維持できることが分かっているので、レーザ強度を20mWに定め、光吸収体サイズで気泡成長の制御を行った。また、同時に気泡に対する加熱スポットの位置の影響も調べるために、幅30μm程度で細長いトナー入りの光吸収体を作製し、加熱スポットの移動範囲を大きく取れるようにした。小さな光吸収体のみでは、気泡発生・成長に時間がかかるので、大きな光吸収体も流路から離れた位置に作製した。
【００３３】
以下の手順で実験を行った。
作製したマイクロチャネルを実験装置のステージ上に設置し、別のガラス基板をかぶせることで、幅100×長さ500×高さ100μmの流路にする。る。
ＰＩＶ計測用のトレーサとして直径６μmのポリスチレンラテックス球を混入したエタノールでマイクロチャネル内を満たす。
レーザを大きな光吸収体の加熱スポットに照射し、気泡を発生・成長させる。
気泡径が流路幅を超える程度(100〜140μm)まで成長させ、第一の加熱スポットで単一気泡を発生させ、成長させた後、長い光吸収体上を、加熱スポットを移動させ、単一気泡を流路内の固定場所に移動後、駆動源用第二の加熱スポットまで移動し、第二の加熱スポットをレーザ照射し、単一気泡周囲の液体を流動させる。
このときの流動の様子をＣＣＤカメラ(30fps、シャッタースピード1/2000sec)で撮像する。
撮影された連続画像を用いて、流動開始1〜2秒後から3.333秒間(画像100枚)のＰＩＶ計測を行い、平均流速を求める。
【００３４】
ＰＩＶ計測による平均流速のベクトルを図５に示す。また、撮像された画像中の単一気泡の左端２１と第二の加熱スポット３２の距離を気泡直径で除すことで無次元化し、規格化した照射位置と流速との関係を図６に示す。第二の加熱スポットの位置が気泡端に近いほど、流速が早く、気泡の中心に近づくにつれて遅くなる。このことより、温度分布の非対称性が大きいほど流速が早くなると考えられる。
【実施例３】
【００３５】
実施例２に示したマスク(流路100μm×500μm)を用いて作製したマイクロチャネルを用いて単一気泡サイズを一定に保ちながら、数分間の連続駆動実験を行った。長時間駆動すると直径６μmのトレーサは沈殿し、気泡前面で詰まってしまうので、３μmのラテックス球をトレーサとして用いた。また、実際のポンプとしての利用時にはトレーサなどの粒子の混入はないものと考え、対策は講じていない。
実施例２と同様に実験を行った。なお、光吸収体は、気泡発生用、駆動用の二つの光吸収体を作製した。
作製したマイクロチャネルを実験装置のステージ上に設置し、別のガラス基板をかぶせることで、幅100×長さ500×高さ100μmの流路にする。る。
ＰＩＶ計測用のトレーサとして直径3μmのポリスチレンラテックス球を混入したエタノールでマイクロチャネル内を満たす。
レーザを気泡発生用光吸収体の中心の第一の加熱スポットに照射し、気泡を発生・成長させる。気泡が流路幅を超える程度まで成長させ、加熱スポットを流路内の駆動源用第二の加熱スポットまで移動させ流動させる。
このときの流動の様子をＣＣＤカメラ(30fps、シャッタースピード1/2000sec)で撮像する。
撮影された連続画像を用いて、流動開始1〜2秒後から3.333秒間(画像100枚)のＰＩＶ計測を行い、平均流速を求める。
レーザ強度は加熱スポットを20mWで照射した。図７に3.333秒間(画像100枚)の平均流速変化のグラフを示す。トナーを光吸収体に使った場合での平均流速はほぼ一定であることが確認できた。
【実施例４】
【００３６】
これまでのマイクロチャネル内での流体駆動実験では、流入口のみを作製し流速を求めた。ここでは、流出口も作製し、交差する流路内に気泡を閉じ込めた状態での実験を行った。用いたマイクロチャネルは、図８に示したように、幅が100±10μmの流路が十字になっており、中心から図中の左右に流入口、流出口として約1mmの長さがあり、上下チャネルは気泡を固定する空間として作製したもので250μmの長さで壁となり、マイクロチャネル外への流動はできない構造となっている。
【００３７】
光吸収体として気泡発生用のトナーのスポット１を中心に作製し、その左右に駆動用の小さな光吸収体２を作製し、双方向に流れの切り替えが可能となっている。このマイクロチャネルを用いて、以下の手順で実験を行った。
作製したマイクロチャネルを実験装置のステージ上に設置し、別のガラス基板をかぶせる。
ＰＩＶ計測用のトレーサとして直径3μmのポリスチレンラテックス球を混入したエタノールでマイクロチャネル内を満たす。
レーザを光吸収体１中心に照射し、気泡を発生・成長させる。気泡径が流路幅を超える程度まで成長させ、レーザスポットを駆動源用光吸収体２まで移動し流動させる
このときの流動の様子をＣＣＤカメラ(30fps、シャッタースピード1/2000sec)で撮像する。
影された連続画像を用いて、流動開始1〜2秒後から3.333秒間(画像100枚)のＰＩＶ計測を行い、平均流速を求める。なお、このときのレーザ強度は20mWとした。流入側、流出側の流速を表１に示す。
【００３８】
【表１】
2008116381.tif 000004
【００３９】
実施異例４の結果、流入平均流速929mm/s、流出平均流速847mm/sほどになり、流入口のみの場合と殆ど流速に変化はないことが分かった。また、マイクロチャネル構造の上面が完全な平面ではなく、上にかぶせたガラス基板との間に隙間があり、そこから流体が漏れており、このために流出側が流入よりも少し遅くなっていると考えられる。
【実施例５】
【００４０】
実施例４と同じマスクを用いて作製したマイクロチャネル内に、図９のような左右に分かれた光吸収体を持つ密閉型のマイクロチャネルを用いて、マイクロポンプの流動・停止の時間応答性を以下の手順で調べた。
作製したマイクロチャネルを実験装置のステージ上に設置し、別のガラス基板をかぶせる
ＰＩＶ計測用のトレーサとして直径6μmのポリスチレンラテックス球を混入したエタノールでマイクロチャネル内を満たす。
レーザをどちらかの光吸収体中心に照射し、気泡を発生・成長させる。
気泡径が流路幅を超える程度まで成長させ、レーザスポットを流路内で左右の光吸収体間を動かす
このときの流動の様子をＣＣＤカメラ(30fps、シャッタースピード1/2000sec)で撮像する。
【００４１】
レーザの加熱スポットを光吸収体上に動かした時の流速変化を図１０に示す
この実施例から、レーザの加熱スポットを吸収体上から移動させたときには、0.1秒ほどで1/10ほどの流速になり、また、吸収体上にレーザ加熱スポットを戻した場合も0.1秒程度で定常流となった。このことから、本発明のマイクロポンプは高速応答性を持っていることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】エチルアルコールの表面張力が温度によって変化することを示した図である。
【図２】本発明者の、マランゴニ対流を流体の移送に応用するため実験装置の概略を示す図である。
【図３】本発明の、マイクロポンプでマイクロチャネル内の液体が、気泡端の第二の加熱スポットの照射位置を左（Ａ）と右（Ｂ）に変えることで、液体の移送方向（FIからFO）が変化する様子を示す模式図である。
【図４】本発明の、レーザをマイクロチャネルの気泡発生位置真下の第一の加熱スポットに照射し、気泡を発生させ、気泡径が流路内壁に接し、流路入口の固定した位置で成長した単一気泡を示す模式図である、図（Ｅ）は図（Ｃ）のＤ方向から見た模式図である。
【図５】本発明の、実施例２で、単一気泡のサイズを一定に保ちながら流動した場合の、ＰＩＶ計測による平均流速のベクトル図である。
【図６】本発明の、実施例２、単一気泡のサイズを一定に保ちながら、第二の加熱スポットの照射位置を気泡端より中心部に移動した場合の、位置と流速との関係を示す図である。
【図７】本発明の、実施例３で、単一気泡のサイズを一定に保ちなが、連続駆動を行なった場合の流速の変化を調べた図である。
【図８】本発明の、実施例４で、気泡を閉じ込めた状態で、流入口と流出口での流速を測定するために作製した、十字形のマイクロチャネルの撮影画像図である。
【図９】本発明の、実施例５で、本発明のマイクロポンプの流動・停止の時間応答性を調べるため作製した、左右に分かれた光吸収体を持つ密閉型のマイクロチャネルの撮影画像図である。
【図１０】本発明の、実施例５で、本発明のマイクロポンプの流動・停止指示での流速と時間の関係を示す図であり、（Ａ）が停止、（Ｂ）が流動の指示した後の流速変化を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１    レーザ光
１１  透過光
１２  反射光
２０  単一気泡  
２１  単一気泡端部
３０  本発明の光吸収体の例
３１  本発明の第一の加熱スポットの例
３２  本発明の第二の加熱スポットの例
４０  マイクロチャネル
Ｃ    ＣＣＤカメラ
Ｄ    ステージ
Ｆ    ＩＲカットフィルター
ＦＩ  流路上流、ＦＯ  流路下流
Ｌ    集光レンズ
Ｍ１  ミラー
Ｍ２  ハーフミラー
Ｏ    対物レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図１０】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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