(57)【要約】【課題】  マイクロチャネル内の電気浸透流速度Ｕeoを正確に測定し、マイクロ流体デバイスの性能向上に有用な情報を得る。【解決手段】  マイクロチャネルの界面動電駆動流による流れ場の粒子速度Ｕobsをマイクロ粒子画像流速計で計測し、密閉セル用いて算出された電気泳動速度Ｕepを粒子速度Ｕobsから引いて電気浸透流速度Ｕeoを求め、Ｕeo＝−εζＥ／μ（ε：誘電率，ζ：ゼータ電位，Ｅ：電界，μ：粘性率）に従ってゼータ電位ζを算出する。低ｐＨ緩衝液，高ｐＨ緩衝液が注入される供給口が両端に設けられた分岐チャネルと端部に排出口がある直線状チャネルとを結ぶＴ型流路でマイクロチャネルを構成するとき、マイクロチャネルを流れる緩衝液のｐＨ値が変わる過渡期の電気浸透流速度Ｕeoが求められ、流動特性のより精密な測定が可能になる。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロチャネルの界面動電駆動流による流れ場の粒子速度Ｕobsをマイクロ粒子画像流速計で計測し、密閉セルを用いて計測し算出された電気泳動速度Ｕepを粒子速度Ｕobsから引いて電気浸透流速度Ｕeoを算出することを特徴とするマイクロチャネル内流体の流動特性計測方法。
【請求項２】
算出された電気浸透流速度ＵeoからＵeo＝−εζＥ／μ（ε：誘電率，ζ：ゼータ電位，Ｅ：電界，μ：粘性率）に従ってゼータ電位ζを算出することを特徴とするマイクロチャネル内流体の流動特性計測方法。
【請求項３】
低ｐＨ緩衝液，高ｐＨ緩衝液が注入される供給口が両端に設けられた分岐チャネルと端部に排出口がある直線状チャネルとを結ぶＴ型流路でマイクロチャネルを構成し、マイクロチャネルを流れる緩衝液のｐＨ値が変わる過渡期の電気浸透流速度Ｕeo及び／又はゼータ電位ζを求める請求項１又は２記載の流動特性計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロチャネル内を流れる界面動電駆動流のゼータ電位及びｐＨ値を時空間計測する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細加工技術を用いてガラス等の基板上に形成されたマイクロチャネルが少量の試料を用いた分析や反応生成物の調査に使用されている。マイクロチャネルを用いた測定や調査では、マイクロチャネルの内部に微量な流体が流され、微小空間における流体現象を利用して微量な試料が効果的に分離・混合される。しかし、マイクロチャネル内部で非定常な流れが生じやすく、マイクロデバイスの更なる高効率化・高精度化のためにはマイクロチャネル内部の流動状態を詳細に把握する必要がある。
【０００３】
マイクロチャネル内部での速度計測には、粒子画像流速計（PIV：Particle Image Velocimetry）を利用できる。PIVによる計測では、たとえば、トレーサ粒子が懸濁している流体を連続して撮像した複数画像からトレーサ粒子の移動距離を計測し、撮像時間差で除して流速を算出する。撮像機構に顕微鏡を組み込むと、マイクロチャネルを流れる流体の速度を計測をできるマイクロPIVとなる（非特許文献１）。
【非特許文献１】Santiago, J. G., et. al，Exp. in Fluids, 25 (1998) 316
【０００４】
マイクロチャネルを流れる流体では、チャネル入側，出側の圧力差に起因する圧力駆動流（pressure-driven flow）の他に、界面動電現象（electrokinetic phenomena）を駆動力とした界面動電駆動流（electrokinetic driven flow）が存在する。界面動電現象で生じる界面動電駆動流によって微量流体の流動状態を制御できるが、界面動電駆動流を支配する電気二重層が解明されると、マイクロ流体デバイスの更なる高性能化に有効なナノレベル制御が可能となることが予想される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、電気二重層の過渡形成に関する研究結果から見出された知見をベースとし、電気泳動速度，電気浸透流速度，チャネル壁面のゼータ電位等の指標を個別に抽出でき、マイクロチャネルを流れる流体の流動特性を高精度に測定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、マイクロチャネルの界面動電駆動流による流れ場の粒子速度Ｕobsをマイクロ粒子画像流速計で計測し、密閉セルを用いて計測・算出された電気泳動速度Ｕepを粒子速度Ｕobsから引いて電気浸透流速度Ｕeoを求める。得られた電気浸透流速度Ｕeoを式：Ｕeo＝−εζＥ／μ（ε：誘電率，ζ：ゼータ電位，Ｅ：電界，μ：粘性率）に代入するとゼータ電位ζが算出される。
低ｐＨ緩衝液，高ｐＨ緩衝液が注入される供給口が両端に設けられた分岐チャネルと端部に排出口がある直線状チャネルとを結ぶＴ型流路でマイクロチャネルを構成するとき、マイクロチャネルを流れる緩衝液のｐＨ値が変わる過渡期の電気浸透流速度Ｕeoが求められ、流動特性のより精密な測定が可能になる。
【発明の効果】
【０００７】
ガラス等の壁面に緩衝液を接触させると、緩衝液のｐＨに応じて脱プロトン反応に相違が生じる。脱プロトン反応は、たとえばＳｉＯＨ⇔ＳｉＯ-＋Ｈ+で表される。脱プロトン反応によりガラス壁面が負極に帯電し、流体側では正の電荷を帯びた電気二重層が形成される。この状態で電界をかけると流体が負極側に流動する（界面動電駆動流）。水素イオン濃度が異なる酸性，アルカリ性の緩衝液では、脱プロトン反応に違いが生じ、ガラス壁面のゼータ電位ζが異なるため電気二重層の形成も相違する。
したがって、酸性緩衝液を流した後でアルカリ性緩衝液を流すと、電気二重層が過渡的に形成され、流体自体の速度である電気浸透流速度の増加が推測される。電気二重層の過渡特性に関する基本的なメカニズムが詳細に把握できると、ｐＨ値が局部的に異なる流動場の能動的制御に重要な情報が得られ、電気浸透流速度をサブミクロンレベルで計測することによって局部的なｐＨ値，空間分布（時空間のｐＨ値分布）の変化が判る。その結果、ｐＨ値をサブミクロンレベルで時系列的にセンシングする技術が確立される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明では、たとえば図１に概略を示す計測システムが使用される。該計測システムは、レーザ発振器１からのレーザ光を光ファイバ２でフィルタブロック３に導く。ダイクロイックミラー４で反射したレーザ光が対物レンズ５を透過し、試料ステージ６に載置されている被観察体１０を照射する。被観察体１０からの反射光を、ダイクロイックミラー４，カラーフィルタ７，ＴＶレンズ８を介してCCDカメラ９で観察（撮像）する。
【０００９】
被観察体１０は、マイクロチャネルが形成されたPDMS（ポリジメチルシロキサン）シート１１をカバーガラス１２で張り合わせることにより用意される（図２）。
マイクロチャネルとしては、ｐＨ値が異なる二種類の緩衝液が流されるＴ型流路１３が採用され、Ｔ型流路１３の端部に低ｐＨ緩衝液供給口１４，高ｐＨ緩衝液供給口１５，緩衝液排出口１６を形成する。供給口１４，１５，排出口１６それぞれに白金電極１４a，１５a，１６aが取り付けられ、供給口１４，１５を正極に、排出口１６を負極に印加する。排出口１６に至る直線状チャネル１７に観察域１９が設定される。
【００１０】
トレーサ粒子を懸濁させた緩衝液をマイクロチャネルに流し、マイクロPIVでトレーサ粒子を時系列的に観察することにより緩衝液の流動状態を調査できる。トレーサ粒子には蛍光粒子が使用され、マイナスに帯電する官能基が粒子表面に付加されていると緩衝液中で負極に帯電し、クーロン力によって安定した分散状態に維持される。
白金電極１４a又は１５aと１６aに電圧を印加すると、壁面近傍に電気二重層が形成され、分極した流体の電界中での移動が駆動力となって壁面近傍に一方向の流れ（電気浸透流）が生じる。電気泳動は全ての場において発生しているが、密閉セルの使用により電気泳動のみを計測できる。
【００１１】
マイクロPIVによる測定は、トレーサ粒子が緩衝液に完全に追従するとの前提で、緩衝液の流速としてトレーサ粒子の流速を測定する方法である。しかし、界面動電現象がある流れ場では、マイクロPIVで計測される粒子速度Ｕobsが電気浸透流速度Ｕeoと電気泳動速度Ｕepの合成値（Ｕobs＝Ｕeo＋Ｕep）となるので、緩衝液自体の流れである電気浸透流速度Ｕeoのみを計測することは困難である。
そこで、たとえば図３の解析アルゴリズムに従ってマイクロPIVの観測結果から流動特性を解析する。
【００１２】
電気泳動速度Ｕepは、密閉セル内の粒子速度Ｕobsを計測することにより求められる。密閉セルは、側壁の影響を無視できる程度に幅／深さのアスペクト比ｋを大きく設定（たとえば、ｋ＝３８.５）したマイクロチャネルをソフトリソグラフィ法でPDMSシート１１に刻設し、該PDMSシート１１にカバーガラス１２を貼り合せた構造をもっている。
ポリスチレン蛍光粒子（トレーサ粒子）を混入したアセテート緩衝液，ボレート緩衝液をマイクロチャネルに注入し、白金電極１４a，１５aと１６aとの間に電圧を印加して電界を発生させると電気浸透流が生じ、壁面近傍の流体が駆動力となって一方向の流れが生じるが、密閉されたセル内であるため一方向流れを補償するため逆方向の流れがセル中心部位に生じる。PDMSシート１１，カバーガラス１２の壁面近傍では、壁面材質の相違に起因して電気浸透流速度Ｕeoに差が生じ、セル中心部では逆方向の流れが生じる。
【００１３】
一方向流れ，逆方向流れの還流が定常状態に至ったとき、計測面を深さ方向にシフトさせてマイクロPIVで粒子速度Ｕobsを測定することにより速度分布が判る。負極側への流れを正方向とし、PDMSシート１１側の速度をｕ1，カバーガラス１２側の速度をｕ2から速度ｕが無次元化され〔ｕ*＝ｕ／(ｕ1＋ｕ2)〕、深さ方向（ｚ方向）に沿ってセルの深さ方向中心を原点に座標変換すると位置座標ｚが無次元化される〔ｚ*＝(ｚ−ｂ)／ｂ，ｂは深さ位置を表す指標〕。
【００１４】
無次元化された速度ｕ*，位置座標ｚ*を用い、マイクロPIVによる計測で得られた速度分布から最小二乗法で一般的な二次近似曲線ｚ*＝Ｋ2ｚ*2＋Ｋ1ｚ*＋Ｋ0を求めると、アセテート緩衝液ではｕ*＝-0.9339ｚ*2＋0.182ｚ*＋1.4338が得られる。係数Ｋ0＝1.4338，Ｋ2＝-0.9339，セルのアスペクト比ｋ＝38.5を式：Ｕep＝Ｋ0＋(1/3＋0.4201660/ｋ)Ｋ2に代入すると、電気泳動速度Ｕepが求められる。因みに、アセテート緩衝液に懸濁している蛍光粒子の電界２５Ｖ／ｃｍにおける泳動速度は−１１２.６μｍ／秒と算出され、ボレート緩衝液中では−９４.０μｍ／秒と算出された。
電気泳動速度Ｕepが算出されたことから、この時点で本来計測したいマイクロチャネルのみかけ速度を計測し、式：Ｕeo＝Ｕobs−Ｕepに従って電気浸透流速度Ｕeoが求められる。観察対象域１９をマイクロチャネルの深さ方向，幅方向に変えることも可能であり、これによってマイクロチャネルを流れる電気浸透流速度Ｕeoの三次元構造も解明される。
【００１５】
理論的な電気浸透流速度Ｕeoは、Boltzmann分布則，Poisson方程式，Navier-Stokes方程式から導き出されるHelmholtz-Smoluchowski方程式：Ｕeo＝−εζＥ／μで表される。式中、εは誘電率，ζはゼータ電位，Ｅは電界，μは粘性率を示す。濃度が非常に低い緩衝液を使用すると、誘電率ε，粘性率μそれぞれに水の誘電率，粘性率を代用できる。したがって、Helmholtz-Smoluchowski方程式からガラス壁面のゼータ電位ζが算出される。
ゼータ電位の理論値ζthは、電気二重層内のイオン間の平衡反応及びBoltzmann分布則から導き出される次式で表される。本発明に従って測定されたゼータ電位ζと理論値ζthとを比較するとき、測定結果の信頼性を評価できる。
ζth＝(-0.058log10(pH)+0.026)×(-log10(M)1.02
【実施例】
【００１６】
使用した計測システムでは、連続光であるＮｄ：YAGレーザ（波長：５３２ｎｍ）をレーザ発振器１に用い、各種光学フィルタにより蛍光粒子からの蛍光波長（波長：５６０ｎｍ）のみを抽出した。対物レンズ５には光の屈折に起因する像の歪みを抑える効果のある倍率６０倍の油浸対物レンズを、CCDカメラ９には画素数６５６×４９４，１２ビットのCCDカメラを用いた。該計測システムの奥行き方向に沿った計測深度は３.１μmであった。
マイクロチャネルとしてＩ型流路又はＴ型流路（図２）をソフトリソグラフィー法でPDMSシート１１の表面に作り込み、カバーガラス１２を貼り合せることによりマイクロチャネル及び密閉セルを形成した。Ｉ型流路は、幅：４００μｍ，深さ：８０μｍに設計した。Ｔ型流路は、直線状チャネル１７の幅：１００μｍ，分岐チャネルの幅：５０μｍ、密閉セルの幅：１ｍｍ，深さ：２６μｍに設計した。
【００１７】
作動流体にはアセテート，ボレートの緩衝液（表１）を用い、塩化カリウムを添加して導電率が等しい溶液に調整した。粒径１.０μｍのポリスチレン蛍光粒子をトレーサ粒子として０.２体積％でボレート緩衝液のみに添加した。使用したポリスチレン蛍光粒子は、カルボキシル基が粒子表面に付加されているので緩衝液内で負極に帯電し、クーロン力（１５０μＣ／ｃｍ2）で安定分散した。
【００１８】
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【００１９】
〔電気泳動による粒子速度計測〕
幅：１ｍｍ，深さ：２６μｍのＩ型流路をマイクロチャネルに用い、密閉セル両端の白金電極に電界２５Ｖ／ｃｍをかけ、密閉セル内で電気浸透流，電気泳動流の還流が完成された定常状態となった時点で、深さ方向にマイクロチャネルをトラバースし、２６μｍの深さ方向に沿った２μｍおきの合計１４面についてマイクロPIVで速度を計測した。アセテート緩衝液，ボレート緩衝液中のみかけ速度Ｕを図４に示す。算出された電気泳動速度Ｕepを印加電界で除した値を電気泳動流移動度ΔＵepとして表２に示す。
【００２０】
〔定常状態における電気浸透流移動度〕
幅：４００μｍ，深さ：８０μｍのＩ型流路をマイクロチャネルに用い、Ｉ型流路の流路端に白金電極を挿入し、ガラス壁面での定常状態におけるみかけ速度を求めた。得られたみかけ速度を用いて定常状態における電気浸透流速度Ｕeo，ガラス壁面のゼータ電位ζを算出すると共に、前掲の式に従ってゼータ電位の理論値ζthを算出した。表２の結果にみられるように、実験的に算出したゼータ電位ζが理論値ζthに対して高い一致性を示していた。
【００２１】
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【００２２】
〔過渡状態における電気浸透流移動度，ゼータ電位の測定〕
Ｔ型流路１３（図２）の供給口１４にアセテート緩衝液，供給口１５にボレート緩衝液を注入し、排出口１６との高低差がなくなるまでＴ型流路１３を緩衝液で満たし、静圧駆動流の影響を排除した。始めに供給口１４と排出口１６との間に電界７５Ｖ／ｃｍを印加してアセテート緩衝液を流し、５分後に供給口１５と排出口１６との間に電界を印加することによりアセテート緩衝液，ボレート緩衝液を入れ替えた。このときの電気浸透流移動度ΔＵeo，ガラス壁面のゼータ電位ζの変動を算出した結果を図５に示す。図５では、CCDカメラ９でトレーサ粒子が観察され始めた時点をｔ＝０に設定している。
ガラス壁面が負極に帯電していることから、過渡的なゼータ電位ζの上昇が図５に読み取られる。ゼータ電位の理論値ζthが−７１ｍＶであり、図５に示されている定常状態になった時点でのゼータ電位ζと比較すると、理論値に対する実験値の一致性が更に改善されていることが判る。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
マイクロチャネルを流れる流体の挙動が正確に把握され、電気浸透流の三次元構造も解析できるため、界面動電現象で内部流体を流すμ-TAS等のマイクロ流体デバイスを始めとする機器の高効率化・高性能化が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明実施例で使用した計測システムの概略図
【図２】マイクロチャネルとして形成したＴ型流路を示す平面図(a)，断面図(b)
【図３】本発明で採用した解析アルゴリズム
【図４】アセテート緩衝液(a)，ボレート緩衝液(b)の粒子速度を深さ方向に関して測定した例
【図５】ｐＨ値が異なる緩衝液を流したときに生じる電気浸透流速度Ueo，ゼータ電位ζの過渡的変化を示すグラフ
【符号の説明】
【００２５】
１：レーザ発振器    ２：光ファイバ    ３：フィルタブロック    ４：ダイクロイックミラー    ５：対物レンズ    ６：試料ステージ    ７：カラーフィルタ    ８：ＴＶレンズ    ９：CCDカメラ
１０：被観察体    １１：PDMSシート    １２：カバーガラス    １３：Ｔ型流路    １４，１５：供給口    １６：排出口    １７：直線状チャネル    １８：分岐チャネル    １９：観察対象域
【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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