(57)【要約】【課題】  交流電場とＴチャンネルとを利用してゼータ電位を測定する方法及び装置を提供する。【解決手段】  （ａ）第１及び第２入口電極と接地された出口電極を有するＴチャンネルの第１注入口２には電解溶液を注入し、前記Ｔチャンネルの第２注入口４には前記電解質溶液と蛍光物質との混合溶液を注入して正常状態に到達させる段階と、（ｂ）前記第１及び第２入口電極から前記出口電極に直流電圧を加えて前記電解質溶液の流れ及び前記電解質溶液と蛍光物質との混合溶液の流れの境界面を形成させる段階と、（ｃ）前記二つの入口電極のうち何れか一つの電極から前記接地された出口電極に交流電圧を加えて前記境界面を振動させる段階と、（ｄ）前記境界面の振幅値を測定し、ゼータ電位と境界面の振幅との標準関係からゼータ電位を計算する段階と、を含むチャンネル壁と電解液間のゼータ電位を測定する方法である。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）第１及び第２入口電極と接地された出口電極を有するＴチャンネルの第１注入口には電解溶液を注入し、前記Ｔチャンネルの第２注入口には前記電解質溶液と蛍光物質との混合溶液を注入して正常状態に到達させる段階と、
（ｂ）前記第１及び第２入口電極から前記出口電極に直流電圧を加えて前記電解質溶液の流れと前記電解質溶液と蛍光物質との混合溶液の流れとの境界面を形成させる段階と、
（ｃ）前記二つの入口電極のうち何れか一つの電極から前記接地された出口電極に交流電圧を加えて前記境界面を振動させる段階と、
（ｄ）前記境界面の振幅値を測定し、ゼータ電位と境界面の振幅との標準関係からゼータ電位を計算する段階と、を含むチャンネル壁と電解液間のゼータ電位を測定する方法。
【請求項２】
前記境界面の振幅は、蛍光顕微鏡を通じて測定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記直流電場は、１００Ｖ／ｃｍないし２,０００Ｖ／ｃｍであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記二つの電極のうち何れか一つの電極から前記接地された出口電極に加える交流電圧の振動数は、１Ｈｚないし１０Ｈｚであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
（ａ）第１入口、第２入口及び出口を有するＴチャンネルと、
（ｂ）前記第１入口、第２入口及び出口に設置された第１入口電極、第２入口電極及び出口電極と、
（ｃ）前記第１入口電極と出口電極間及び前記第２入口電極と出口電極間に電場を発生させる手段と、
（ｄ）前記第１入口または第２入口に連結されており、電解液または蛍光物質と電解液との混合液を供給するための保存容器と、
（ｅ）前記電解液及び蛍光物質と電解液との混合液の境界面を測定するための手段と、を含むチャンネル壁と流体間のゼータ電位を測定する装置。
【請求項６】
前記境界面を測定するための手段は、蛍光顕微鏡であることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チャンネル壁面と溶液間のゼータ電位を測定する方法及びゼータ電位測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラスで加工された微細チャンネルや毛細管間で電解質を充填すれば、液相と固相間に電気二重層が形成される。前記電気二重層に対して接線方向に電場を印加すれば、電気的体積力が前記電気二重層内の過度なカウンターイオンに加えられる。それにより、電気浸透圧が発生する。このような電気浸透圧は、ＬＯＣ（Ｌａｂ−Ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐ）のような小型化された分析チップで重要な駆動源として使われている。両端に圧力差がなく、デバイ−ヒュッケ理論が適用され、前記電気二重層がチャンネルの特性長さに比べて非常に小さな場合、電気浸透圧の速度は式１においてヘルムホルツ−スモルホブスキー式で与えられる。
【０００３】
ｕ＝−（ε・ζ・Ｅ）／μ  …  （式１）
ここで、ε：電解質の誘電定数、ζ：電解質−チャンネル間のゼータ電位、μ：電解質の粘度、Ｅ：電場を表す。誘電定数と電解溶液の粘度とは、電場に対する定数値であり、電解質溶液の物性値である。したがって、ゼータ電位を測定できれば、チャンネルに流れる電気浸透圧の速度は、外部から加える電場のサイズを調節することによって線形的に比例関係を有することが分かる。このような速度の測定は、ＬＯＣ上で分離、移動のような流体制御時に最も基本的な資料となる。
【０００４】
従来、蛋白質粒子や分散系に存在する粒子に対するゼータ電位は、主に粒子の移動度を測定することによって求められる。しかし、電気浸透圧が小型化された分析チップ上で電解質溶液を駆動する駆動源として広く使われる場合、粒子に対するゼータ電位よりは電解質溶液とチャンネル壁面とのゼータ電位を測定することが電気浸透圧を駆動するための基本的な資料となっている。現在知られている固体面と溶液間のゼータ電位測定方法は、次の通りである。
【０００５】
特許文献１には反射されるレーザ光を利用してゼータ電位を測定する方法を開示しているが、固体面については言及していない。
【０００６】
また、粒子追跡法は、伝統的な流体実験で多く使用する方法である。流体に追跡粒子を浮かして一定時間観察すれば、粒子の経路が可視化されて直線形態に現れる。一定時間追跡粒子が移動した距離がわかるので、流動の速度を求められ、ゼータ電位は式１によって求められる。このような測定のためには、ゼータ電位の測定チャンネルにある程度の濃度の追跡用粒子を浮かさなければならず、粒子が電荷を有する場合、粒子の電荷量によって生じる電気泳動の移動度を考慮しなければならない。また、一度測定用として使われたチャンネルの壁面には追跡用粒子による汚染が生じるので、追加的な実験が不可能になる。
【０００７】
電流モニタリング法（例えば、非特許文献１参照）によるゼータ電位の測定は、次のような原理によってなされる。直線上のチャンネルに相異なる濃度を有する電解質を充填し、両端に電圧をかければ、時間に伴う濃度変化量によって電流が弱まるか、または強まる。チャンネル間の距離が分かり、電流の変化のない時までの時間が測定されれば、電気浸透圧の速度が計算でき、同様に式１でゼータ電位を決定できる。簡単な実験装置によってゼータ電位を測定するのに多く利用されている。
【０００８】
ストリーム電位法によるゼータ電位の測定原理は、次の通りである（例えば、非特許文献２参照）。電気浸透圧を測定しようとするチャンネル両端に圧力差をかければ、壁面の電気二重層にあるイオンが移動してチャンネル両端に電圧差を発生させる。正常状態となれば、この電圧値が一定した値を有するが、この電位差をストリーム電位という。このストリーム電位を利用してゼータ電位を測定するためには、電気伝導度、圧力差のデータが必要であり、何よりもチャンネルの長さを別にしつつ数回データを得て回帰分析をしなければならない。
【０００９】
流動場の速度を測ってゼータ電位を測定する粒子追跡法や電流モニタリング法とは異なって、直接ゼータ電位値を回帰分析で得られるので、比較的正確な方法である。しかし、前述したように回帰分析のための色々なデータを実験を通じて得なければならないので、迅速な測定のための方法としては不適合である。また、前記二つの方法に比べてチャンネル両端に付属される実験装備が多くなる。
【特許文献１】米国特許第６,０５１,１２４号公報
【非特許文献１】Ａｎａｌ.Ｃｈｅｍ.１９８８,６０,１８３７〜１８３８
【非特許文献２】Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｃｏｌｌｏｉｄ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ２２６,３２８〜３３９,２０００
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、前記従来技術の問題点を解決するために、追跡用粒子なしにゼータ電位を測定できる方法を提供することである。
【００１１】
また、本発明の目的は、追跡用粒子なしに固体壁面と溶液間のゼータ電位を測定できる装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成するために本発明は、（ａ）第１及び第２入口電極と接地された出口電極を有するＴチャンネルの第１注入口には電解溶液を注入し、前記Ｔチャンネルの第２注入口には前記電解質溶液と蛍光物質との混合溶液を注入して正常状態に到達させる段階と、（ｂ）前記第１及び第２入口電極から前記出口電極に直流電場を加えて前記電解質溶液の流れ及び前記電解質溶液と蛍光物質との混合溶液の流れの境界面を形成させる段階と、（ｃ）前記二つの入口電極のうち何れか一つの電極から前記接地された出口電極に交流電圧を加えて前記境界面を振動させる段階と、（ｄ）前記境界面の振幅値を測定し、ゼータ電位と境界面の振幅との標準関係からゼータ電位を計算する段階と、を含むチャンネル壁と流体間のゼータ電位を測定する方法を提供する。
【００１３】
また、本発明は（ａ）第１入口、第２入口及び出口を有するＴチャンネルと、（ｂ）前記第１入口、第２入口及び出口に設置された第１入口電極、第２入口電極及び出口電極と、（ｃ）前記第１入口電極と出口電極間及び前記第２入口電極と出口電極間に電場を発生させる手段と、（ｄ）前記第１入口または第２入口に連結されており、電解液または蛍光物質と電解液との混合液を供給するための保存容器と、（ｅ）前記電解液及び蛍光物質と電解液との混合液の境界面を測定するための手段と、を含むチャンネル壁と流体間のゼータ電位を測定する装置を提供する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の方法によれば、追跡用粒子なしにゼータ電位を測定できるので、チャンネルの汚染の問題なしに溶液の境界面から広い範囲のゼータ電位を求められる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明のゼータ電位測定方法において、前記境界面の振幅は、例えば、蛍光顕微鏡を通じて測定できる。前記直流電場のサイズは、チャンネルの長さやチャンネルの物性によって変わるが、望ましくは１００Ｖ／ｃｍないし２,０００Ｖ／ｃｍである。
【００１６】
前記二つの電極のうち何れか一つの電極から前記接地された出口電極に加える交流電圧のε値は、チャンネル幅の広さによって変わり、可能な限り振幅が大きいと測定が容易であるが、振幅がチャンネル幅を超えれば測定できない。ε値は、例えば、入口部分、出口部分及びチャンネル部分のチャンネル幅が同じ１００μｍである場合、０.３ｄｌ以下の値が望ましいが、ここに限定されるものではない。
【００１７】
また、ｆは、境界面を測定する装置、例えば、ＣＣＤカメラのイメージ測定速度によって適正値が選択されるが、望ましくは１ないし１０Ｈｚである。本発明に使われた前記チャンネルは、二つの入口と一つの出口とよりなる。前記各チャンネルのサイズ及び形状は、特に制限されておらず、測定しようとする壁面と電解液とによって変わる。例えば、幅１μｍないし１,０００μｍ、高さ１μｍないし５,０００μｍの長方形の柱状を有しうる。前記チャンネルの壁面の材質は、石英、ガラス、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＰＤＭＳ及びＰＭＭＡを含むプラスチック材質が含まれうる。前記電解質溶液または電解質と蛍光物質との混合溶液の流速は、加えた交流電場とゼータ電位とによって変わり、望ましくは１００ないし１,０００μｍ／ｓｅｃの範囲であり、電解質溶液は、ＮａＣｌ溶液のような通常的な電解質溶液が使用されうる。また、前記蛍光物質には、例えば、ローダミン、ＦＩＴＣのような通常的な蛍光物質が使用されうる。
【００１８】
本発明のゼータ電位測定装置において、前記境界面の振幅を測定するための手段は、蛍光顕微鏡であることが望ましい。
【００１９】
以下、本発明に使われるＴチャンネルと溶液との境界面の振動形態の一例を示す図１を参考としてさらに詳細に説明する。しかし、本発明の範囲がこれに限定されることではない。
【００２０】
まず、二つの注入口２及び４のうち何れか一つの注入口（例えば、４）には電解液を注入し、他の一つの注入口（例えば、２）には蛍光物質と電解液との混合物質を注入してマージチャンネルを経て出口６に流れる。二つのチャンネル間の圧力差がなくなる正常状態になるまで待つ。
【００２１】
正常状態になれば、二つの注入口からマージチャンネルの出口に何れも同じＶ０の直流電圧を加える。この時、前記マージチャンネルで二つの溶液間の境界面が生じることを確認する。電気浸透圧の速度は非常に遅く、使用したチャンネルのサイズは非常に小さいので、発生する流動の領域はレイノルズ数が非常に低くてほぼ０に近いストクス領域に当る。電解液の拡散係数によって異なるが、マージチャンネルで生じる境界面は非常に明確でその幅が非常に狭い。したがって、境界面の振動の振幅を測定することは非常に容易である。
【００２２】
次いで、正常状態に至る境界面に振動を誘発するために前記二つの注入口のうち何れか一つの注入口２から一定したε及びｆ値を有する交流電圧を印加する。ここで、εは、交流電圧の大きさを表す値であって、０と１間の値であり、ｆは交流電圧の周波数である。したがって、二つの溶液間に生じる境界面の形態は、このε及びｆ値と密接な関連がある。したがって、前記交流電圧が印加されたチャンネル側の電圧はＶ＝Ｖ０（１＋ε・ｓｉｎ（３６０・ｆ・ｔ））の形態である。図１には、二つの溶液の境界面８が明確に示されている。図１に使われるチャンネルは、幅１００μｍ、５０μｍの長方形の柱状のチャンネルであり、ε及びｆ値は各々０.３及び１Ｈｚであった。
【００２３】
以下、本発明を実施例を通じてさらに詳細に説明する。しかし、これら実施例は、本発明を例示的に説明するためのものであって、本発明の範囲がこれら実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００２４】
本実施例では、図１に示したサイズと形状とを有するＴチャンネルを使用して摸写実験をした。
【００２５】
［実施例１］
本摸写実験に使われたＴチャンネルは、第１入口チャンネル及び第２入口チャンネルを合せた長さが８００μｍであり、マージチャンネルの長さが９００μｍであり、各チャンネルの幅は１００μｍであり、高さが５０μｍであり、長方形の柱状である。マージチャンネルの出口は、接地して使用した。
【００２６】
その結果を図１ないし図５に示した。図１は、交流電圧を加えた時に発生する境界面の変化の一例を示す図面である。図１に示されたように、境界面８を明確に観察できる。図２〜４は、交流電圧を加えたときの時間に伴う境界面の変化を示す図面である。図２〜４では、第１注入口２にはＶ０の直流電圧が印加され、第２注入口４には直流及び交流が合せられた形態の電圧（Ｖ＝Ｖ０・（１＋０.３ｓｉｎ（３６０・ｔ））を印加した。図２〜４は全てゼータ電位が−５０ｍＶであり、交流電圧を加えた後の経過時間は各々７.０秒、７.５秒及び８.０秒であった。図５は、実際ゼータ電位と振動する境界面の振幅との関係を示す標準関係の一例を示すグラフである。前記標準関係を究明するために、ＣＦＤ摸写を通じてチャンネル壁面のゼータ電位を変化させつつ振幅を測定した。ここで、振幅は、１周期間に最も値が大きい振幅を選択した。前記ＣＦＤ摸写実験は、ＣＦＤ−ＡＣＥ＋（ＣＦＤ ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，米国）という商用摸写プログラムを使用し、実験に使われた流速は６３２μｍ／ｓｅｃ、使われた電解質は１ＭのＮａＣｌ溶液であり、蛍光物質をローダミンを利用した。
【００２７】
図５に示されたように、振幅とゼータ電位値とは一定した関係を有しているので、振幅を測定することによってゼータ電位値を求められる。
【００２８】
［実施例２］
実施例１では、数値摸写を通じて振動振幅とゼータ電位間の関係を調べた。本実施例では、実際実験過程を通じて前記結果を立証する。
【００２９】
本実施例に使われたＴチャンネルは、次の通りである。Ｔチャンネルの前記出口チャンネルは長さが０.７ｃｍであり、前記二つの入口チャンネルは、長さが１ｃｍである。Ｖ０値は６００Ｖであり、εは０.５であって、Ｖ＝Ｖ０・（１＋０.５ｓｉｎ（３６０・ｔ））である。マージされた層の振幅は、印加された電場の周波数によって前記チャンネル接合で振動した。
【００３０】
１ｍＭ及び１０ｍＭのＮａＣｌ溶液を使用した。前記１ｍＭ及び１０ｍＭのＮａＣｌ溶液のゼータ電位は、ＥＬＳ−８０００（ＯＴＳＵＫＡ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，日本）で測定した。ＥＬＳ−８０００（ＯＴＳＵＫＡ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，日本）は、ストリーム電位法を利用してゼータ電位を結晶する（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｌｌｏｉｄ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ２２６，３２８〜３３９，２０００）。前記１ｍＭ及び１０ｍＭのＮａＣｌ溶液に対するゼータ電位は、各々−５３.９ｍＶ及び−３４.９ｍＶであった。
【００３１】
本発明者はまた、下記のように本発明の方法によって１ｍＭ及び１０ｍＭのＮａＣｌ溶液のゼータ電位が結晶されうるということを定性的に立証した。
【００３２】
振動する電気浸透圧的な流体挙動を観察するために、１ｍＭのＮａＣｌに対してｆ＝１Ｈｚである時に連続的イメージを得た。その結果を図６に示した。図６に示した連続的イメージによれば、振動振幅の最大及び最小値が表れている。前記最小振幅と最大振幅間の周期は０.５秒であって、印加された電場の周期に該当した。このような現象は、本実施例で使われる小さなレイノルズ数（Ｒｅ＜１）によって説明されうる。これは慣性効果が微小であるため、前記システムは線形的で振幅の周期は印加された電場と同じ周期を有するということを意味する。
【００３３】
次いで、このＴチャンネルの内部壁面の特定の位置で時間による蛍光強度を測定することによって振動面の挙動の再現性を調べた。図６に使われたＴチャンネルと同じＴチャンネルを使用した。振幅が最大及び最小値に到達する間隔で、図６で、ａとｂ間のＴチャンネルの内部側面の特定の位置で蛍光強度を測定した。その結果を図７に示した。図７に示した蛍光強度プロファイルによれば、振幅の最大及び最小値は、時間に関係しない特性を示し、振幅の最大及び最小値に対する複数の強度データセットを一つの実験で得られた。図７の横軸で示した距離は、図６での最低位置ａからの距離である。
【００３４】
前記挙動は、１ｍＭ及び１０ｍＭのＮａＣｌ溶液に対して０.５Ｈｚないし２Ｈｚで確認された。たとえＮａＣｌ溶液の振動振幅とゼータ電位間の相関関係を定量的に特性化しなかったとしても、本方法の実験的な適合性は、本実施例によって立証された。
【００３５】
しかし、Ｔチャンネルの広さが１００μｍである時、周波数が５Ｈｚより大きければ、これ以上外観上の振動挙動を観察できない。この場合の振動挙動は、静電気場の振動挙動とほぼ同じであり、前記振動振幅はあまり小さくて最大と最小とを識別できなかった。
【００３６】
したがって、与えられた電場とＴチャンネル構造とに対して振動境界面を観察するためには、望ましい範囲の周波数が存在することが分かった。本発明の方法によってゼータ電位を測定する前に前記周波数の範囲は特定されなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明のゼータ電位測定方法は、ゼータ電位を容易に測定できるので、ＬＯＣ上で流体の分離、移動のような流体の制御に有用に利用されうる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明で使われたＴチャンネルで二つの溶液の境界面の振動形態の一例を示す図面である。
【図２】交流電圧が加えて７．０秒経過したときの境界面の変化を示す図面である。
【図３】交流電圧が加えて７．５秒経過したときの境界面の変化を示す図面である。
【図４】交流電圧が加えて８．０秒経過したときの境界面の変化を示す図面である。
【図５】チャンネル壁面のゼータ電位と境界面の振動の振幅との関係を示すグラフである。
【図６】Ｔチャンネルで振動する１ｍＭのＮａＣｌ溶液の連続的なイメージを示す図である。
【図７】Ｔチャンネルの壁面の特定位置で測定した振動する１ｍＭのＮａＣｌ溶液の蛍光強度プロファイルを示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
２…第１注入口、
４…第２注入口、
６…出口、
８…境界面。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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