(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの数ピコリットルから数ミリリットルの微量液体を混合する方法であって、
少なくとも１つの液体(53、73)を固体表面上に形成され、少なくとも１つの液体(53、73)と表面音波とを相互作用させる相互作用部分(23、43、103)に加え、
上記固体表面上の相互作用部分(23、43、103)の真下に配置されたインターデジタルトランスデューサーよりなる表面音波発生装置(25、45、105)から該固体表面に沿う少なくとも１つの表面音波を発生させて上記固体表面を変形させて上記少なくとも１つの液体(53、73)と相互作用させ、それを混合することを特徴とする微量液体の混合方法。
【請求項２】
少なくとも１つの数ピコリットルから数ミリリットルの微量液体を混合する方法であって、
少なくとも１つの液体(53、73)を、真下に表面音波共振器(86)が配置された固体表面上に形成され、少なくとも１つの液体(53、73)と表面音波とを相互作用させる相互作用部分(83)に加え、
上記固体表面上の相互作用部分(83)の外方に配置されたインターデジタルトランスデューサーよりなる表面音波発生装置(85)から上記固体表面に沿う少なくとも１つの表面音波を放射させて上記表面音波共振器(86)で振幅を大きくして上記固体表面を変形させて上記少なくとも１つの液体(53、73)と相互作用させ、それを混合することを特徴とする微量液体の混合方法。
【請求項３】
請求項１の微量液体の混合方法において、
少なくとも１つの液体を固体表面の凹み(23)に入れることを特徴とする微量液体の混合方法。
【請求項４】
請求項２の微量液体の混合方法において、
少なくとも１つの液体(53、73)を周辺とは違った湿化特性を有し、液体が好んでそこに滞留する固体表面上の相互作用部分(83)に加えることを特徴とする微量液体の混合方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つの微量液体の混合方法において、
表面音波が脈動することを特徴とする微量液体の混合方法。
【請求項６】
請求項５の微量液体の混合方法において、
表面音波の脈動数を固体表面上の相互作用部分(23、43、83、103)における微量の液体(53、73)の固有振動数と共振するように選ぶことを特徴とする微量液体の混合方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つの微量液体の混合方法において、
少なくとも１つの表面音波によって液体(53、73)を分散させることを特徴とする微量液体の混合方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つの微量液体の混合方法において、
位相のずれ（ΔΦ）がその波長(λ)の複数倍と同じでなく、半波長に等しい少なくとも２つの表面音波を液体(53、73)に加えることを特徴とする微量液体の混合方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つの微量液体の混合方法において、
少なくとも１つの表面音波が、バイオコンパチブルな被膜を有する表面音波発生装置で作られることを特徴とする微量液体の混合方法。
【請求項１０】
請求項９の微量液体の混合方法において、
上記バイオコンパチブルな被膜は、表面音波発生装置の絶縁被膜であることを特徴とする微量液体の混合方法。
【請求項１１】
請求項９又は１０の微量液体の混合方法において、
上記バイオコンパチブルな被膜は、表面音波発生装置の高い誘電率の絶縁被膜であることを特徴とする微量液体の混合方法。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１つの微量液体の混合方法において、
液体は渦発生のための妨害物(104)のある部分に存在することを特徴とする微量液体の混合方法。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１つの微量液体の混合方法において、
いくつかの液体を混合のため相互作用部分(23、43、83、103)に加え少なくとも１つの表面音波を液体と相互作用させることを特徴とする微量液体の混合方法。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１つの微量液体の混合方法において、
溶解すべき材料を相互作用部分(23、43、83、103)に加え、液体と接触させ、表面音波の作用で液体で溶解させることを特徴とする微量液体の混合方法。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１つの微量液体の混合方法において、
少なくとも１つの液体(53、73)が追加加熱されることを特徴とする微量液体の混合方法。
【請求項１６】
少なくとも１つの数ピコリットルから数ミリリットルの微量液体を混合する装置であって、
固体表面と、該固体表面上に配置された少なくとも１つのインターデジタルトランスデューサーよりなる表面音波発生装置(25、45、105)と、少なくとも１つの液体(53、73)と表面音波とを相互作用させる相互作用部分(23、43、103)とを有し、
その相互作用部分は、上記少なくとも１つの表面音波発生装置の真上に配置され、表面音波発生装置稼動の際、発生した上記固体表面に沿う表面音波により該固体表面が変形されることにより、該相互作用部分に加えられた少なくとも１つの液体(53、73)を相互作用させて混合するように構成されていることを特徴とする混合装置。
【請求項１７】
少なくとも１つの数ピコリットルから数ミリリットルの微量液体を混合する装置であって、
固体表面と、該固体表面の外方に配置された少なくとも１つのインターデジタルトランスデューサーよりなる表面音波発生装置(85)と、上記固体表面上に形成され、少なくとも１つの液体(53、73)と表面音波とを相互作用させる相互作用部分(83)と、該相互作用部分(83)の真下に配置された表面音波共振器(86)とを有し、
上記相互作用部分は、上記表面音波共振器(86)の真上に配置され、表面音波発生装置稼動の際、該表面音波共振器(86)で振幅を大きくされた上記固体表面に沿う表面音波により該固体表面が変形されることにより、該相互作用部分に加えられた少なくとも１つの液体(53、73)を相互作用させて混合するように構成されていることを特徴とする混合装置。
【請求項１８】
請求項１７の混合装置において、
相互作用部分(23)は凹みになっていて、
少なくとも１つの表面音波発生装置(25)は少なくとも部分的には凹みに配置されていることを特徴とする混合装置。
【請求項１９】
請求項１６又は１７の混合装置において、
相互作用部分が固体表面上に好んで滞留する部分(43、83、103)を含み、
上記滞留部分の湿化特性は周辺とは違って、液体が好んで滞留することを特徴とする混合装置。
【請求項２０】
請求項１９の混合装置において、
少なくとも１つの表面音波発生装置(45)と液体が好んで滞留する滞留部分(43)とが少なくとも一部は重なることを特徴とする混合装置。
【請求項２１】
請求項１９又は２０の混合装置において、
液体が好んで滞留する滞留部分(43、83、103)がシラン化されていることを特徴とする混合装置。
【請求項２２】
請求項１６〜２１のいずれか１つの混合装置において、
相互作用部分(103)に妨害物(104)を有することを特徴とする混合装置。
【請求項２３】
請求項２２の混合装置において、
妨害物(101)が腐食しない周辺に腐食した部分を含む、又はあまり腐食しない周辺に腐食した部分を含む、又は腐食した周辺に腐食しない部分を含む、又は腐食した周辺にあまり腐食しない部分を含むことを特徴とする混合装置。
【請求項２４】
請求項２２の混合装置において、
妨害物(101)がその周辺とは違って被覆されている部分を含むことを特徴とする混合装置。
【請求項２５】
請求項２２の混合装置において、
妨害物が相互作用部分(103)のぎざぎざ部(104)によって形成されることを特徴とする混合装置。
【請求項２６】
請求項１６〜２５のいずれか１つの混合装置において、
表面音波発生装置(25、45)上にバイオコンパチブルな被膜(33、43)を有することを特徴合装置。
【請求項２７】
請求項２６の混合装置において、
被膜(33、43)がその周辺と異なる湿化特性を有し、液体は好んでそこに滞留することをとする混合装置。
【請求項２８】
請求項１７の混合装置において、
共振器(86)が周期的に配置された金属被膜を含み、その間隔はインターデジタルトランスデューサー(85)の電極指先間の距離に相当することを特徴とする混合装置。
【請求項２９】
請求項２８の混合装置において、
共振器に被膜を有することを特徴とする混合装置。
【請求項３０】
請求項１６〜２９のいずれか１つの混合装置において、
少なくとも１つの表面音波発生装置に被膜を有することを特徴とする混合装置。
【請求項３１】
請求項２９又は３０のいずれか１つの混合装置において、
被膜は絶縁性であることを特徴とする混合装置。
【請求項３２】
請求項２９又は３０の混合装置において、
被膜は高い誘電率を有することを特徴とする混合装置。
【請求項３３】
請求項３０〜３２のいずれか１つの混合装置において、
被膜の厚みは、少なくとも１つの表面音波発生装置により作られた表面音波の波長より小さいか、ほぼ同じであることを特徴とする混合装置。
【請求項３４】
請求項１６〜３３のいずれか１つの混合装置において、
相互作用部分(23、43、83、103)に加熱された部分を有することを特徴とする混合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの微量液体を混合するための混合方法、混合装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液体の概念は特に、純粋液体、混合液体、分散液、懸濁液、あるいは固体分子、例えば生物質等が存在する液である。
【０００３】
微量分析では微量液体は混ぜるか、あるいは徹底混合する必要がある。非特許文献１では、空洞を一方の側で閉じる薄いフレキシブルな膜に広がっている250μmの空洞での液体をラム(Lamb) 超音波を使って混合する実験について述べている。
【０００４】
特に最近話題になっているLap-on-a-chipテクノロジーにとってはチップ上で行える極微量液体の混合プロセスが望ましい。液体の量はピコリットルからミリリットルの範囲である。チップ上のそれに対応する平面はミリメータ、マイクロメータ、サブマイクロメータの範囲である。
【０００５】
微量液体の混合プロセスは主として拡散プロセスである。多くの化学・生物プロセスの典型的反応時間は極めて短いため、チップ上の化学・生物プロセスに必要な時間は原則的に反応物混合の時間によって決まる。
【０００６】
混合を速めるため、非特許文献２では、液体をチップ上に10μm深さのチャンネルの狭窄個所を通して高速で緩衝液に入れることを提案している。そのようにして作られた薄い液体ジェットでは混合は速められる。
【０００７】
しかし、そのような薄層の液体ジェットの境界域でも混合は相変わらず拡散で進行する。
【０００８】
さらに、均質な反応条件、例えば濃度と温度とを液体の内部で急速に作るのも有利である。これも混合で可能である。
【非特許文献１】R.M.Moroney等著、「Appl. Phys. Letters 59」、1991、p.774−
【非特許文献２】James B. Knigt 等著、「Physical Review Letter」、1998、p.3863−
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
当発明の課題は、１つあるいは複数の微量液体の混合を簡単かつコスト安に、しかも効果的に微量面、例えばチップ上で行うことである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この課題は請求項１の特徴をもつ方法と請求項１８の特徴をもつ装置で解決される。各項の下位請求項は有利な方式を示す。
【００１１】
当発明の混合方法では、１つあるいは複数の微量液体を固体表面の相互作用部分、例えばチップに加える。そこで少なくとも１つの表面音波と混合のため相互作用させる。
【００１２】
相互作用部分の大きさはミリメータ、マイクロメータ、サブマイクロメータの範囲である。液体の量はこの大きさに合わせる。
【００１３】
液体と音響通路とは完全に合致して最大相互作用をもたらすことがある。部分的な合致は乱れの発生を追加することがある。
【００１４】
表面音波はインパルスを液体に伝達する。このインパルス伝達は表面音波による固体表面の機械的な変形及び/又は圧電基質を使うとき機械的変形に伴う電界によって行われる。
【００１５】
インパルス伝達と液体表面張力により伝達される後退力とにより液体中にかなりの乱流が生じる。それは純粋な拡散の場合より化学反応をはるかに促進する。
【００１６】
微量液体操作用の表面音波によるインパルス伝達の特色を以下に示す。
1. 微量液体への力の作用の強さは表面波振幅の広い範囲に調整できる。
2. 例えば、異なる長さのパルスのような力のさまざまな推移を簡単に電子的に決めることができる。
3. 表面音波による固体表面の超音波処理は液体の流れた部分の自動洗浄をうながす。
4. 適切なソフトによる操作が簡単である。
【００１７】
表面音波は、固体表面上の液体の存在する部分からある程度離れている表面音波発生装置で発生させることができる。特に、表面音波発生装置が、液体が加えられる部分にあれば混合は効果的である。そのようにして、表面の変形又は変形に伴う電界の作用により液体は直接に、また効果的に混合できる。
【００１８】
当発明の方法の１つのヴァリエーションでは、液体を表面音波の波長に比べて小さい固体表面の凹みに入れる。そのような凹みによって固体表面上の液体の位置設定が可能となる。
【００１９】
当発明の方法の１つのヴァリエーションでは、液体を加湿特性がその周辺と異なるため液体が好んでそこに滞留するような表面部分（好みの滞留個所）に加える。このヴァリエーションでは液体を凹みに入れる必要はない。周辺と異なる加湿特性をもつ表面部分では液体はその表面張力ゆえに保たれる。液体は、例えば点滴の形でこの好みの滞留部分に留まる。特に、加湿特性の変化によって液体の滞留部分が限定されるにもかかわらず、混合プロセスに少なくとも局部的に影響をおよぼす溝、角、縁等は必要ない。原則的に平面的な表面によってプロセス前後の液体の塗布又は除去は大いに簡略化される。表面の洗浄も凹みの場合よりも簡単である。
【００２０】
大きな外力の作用なしには、その表面張力のため、液体は凹み又は好みの滞留個所を去ることはないであろう。十分の大きな力は加わってはじめて液体はそこから除去される。したがって、当発明では、まず表面音波を少し援用するだけで好みの滞留個所での液体の混合が可能である。液体をこの部分から遠ざけようとすれば、液体が好みの滞留個所を去るまで表面音波の強度を上げればよい。
【００２１】
表面音波は圧電基質上、又は圧電被膜のような圧電部分を有する基質上で発生させる。ここで、圧電基質又は被膜が表面音波発生装置のある部分にのみ存在すれば十分である。
【００２２】
混合プロセスを速めるため、表面音波は連続的に照射してもいい。しかし、表面音波は間欠的に照射するのが効果的である。
【００２３】
さらに、表面音波のインパルス周波数を、それが凹み又は好みの滞留個所にある微量液体の自己周波数に等しくなるよう選べば、共振が増幅され、混合が強くなる。それに適したインパルス周波数は、液体量又はその容量と表面張力とによって決まり、標準的には数ヘルツから数キロヘルツである。
【００２４】
表面音波は例えば、液体がそれによって均等に超音波処理されるよう照射することができる。液体の下側では通過する表面音波によって固体表面が変形し、機械的変形となる。この機械的変形、又はそれに伴う電界は液体と固体表面の境界域の液体に作用する。そのとき、通過する表面音波は液体の下の部分を引きずる。それにもかかわらず、表面張力のため、表面音波の強さがそれほどでない場合は、液体は好みの滞留個所又は凹みを離れることはないであろう。液体内での容量調整を行うため、固体表面から離れているいる液体の上部では逆流が形成される。このようにして液体内の動きが生れ、混合が生じる。
【００２５】
他のヴァリエーションでは表面音波は分散的に液体に送られ、そのとき液体は部分的にのみ当てられ、例えば回転を始める。
【００２６】
表面音波が、好みの滞留個所又は凹みにあるが、それとは対称的でない位置にある表面音波発生装置によって発生すれば、同じような効果が得られる。
【００２７】
他のヴァリエーションでは、液体の部分で位相がずれている少なくとも２つの表面音波が液体に送られる。例えば、半波長だけ相のずれている２つの並行した表面音波を液体に送ることができる。そうすれば、表面音波の「波の山」によって液体に伝達されるインパルスは同じく相がずれ、液体で渦の形成となり、極めて効果的な混合ができる。
【００２８】
相のずれは、２つの並行して配置された表面音波発生装置が、相がずれた周波数で操作されることによって得られる。同じく表面音波発生装置は、波長の整数倍でない相互作用部分と異なる距離を有することができる。
【００２９】
当発明の他のヴァリエーションでは、液体は、例えば距離を置いた表面音波発生装置によって発生する表面音波の共振器のある表面部分に送られる。そのような共振器は例えば主として金属性の周期的に腐食された構造物、又は周期的に塗布された被膜で作ることができる。この部分に来る表面音波は共振器によって局所的に増幅され、液体内の混合を促進する。
【００３０】
乱れを効果的に生成するため、当発明の実施のとき液体が存在する好みの滞留個所又は凹みに、乱れの形成をうながす妨害物を入れることができる。
【００３１】
他のヴァリエーションでは、表面音波を発生させるため従来のインターデジタルトランスデューサーが使われる。そのようなインターデジタルトランスデューサーは例えば、数μm間隔で指のように互いに食い込んでいる２つの電極をもっている。例えば、周波数が表面音波速度と電極指先間の距離の商に等しいという共振条件が少なくともほぼ満たされると、例えば数MHzから数100MHzの大きさの高周波交番磁界を通し、圧電基質又は基質の圧電域で表面音波を励起する。拡散方向は互いに絡まっている指先電極構造物に直角である。もちろん表面音波フィルターのテクノロジーで使われているような、他の大きさのインターデジタルトランスデューサーを用いてもいい。インターデジタルトランスデューサーを使って、極めて限定された表面音波を簡単に作ることができる。インターデジタルトランスデューサーの製作はよく使われる石版技術と被膜技術でコスト安で、簡単である。その上インターデジタルトランスデューサーは、例えば電磁交番磁界をインターデジタルトランスデューサーと結びついたアンテナの方向に照射することによりケーブルなしで操作できる。
【００３２】
当発明の方法は液体を混合して、反応を促進し、及び/又は均質の条件を作るのに適している。「混合」の概念には撹拌プロセスの意味での混合も含ませる。同じく２つ又は複数の液体を混合するために当発明の方法を使うこともできる。この場合も混合ないし反応の速度は拡散によって限定されない。
【００３３】
当発明の方法はまた、固体、例えば粉末状の物資を液体に溶かすためにも、使うことができる。粉末はまず、固体表面の相互作用部分に加える。続いて液体を加え、表面音波を使って乱れを発生させる。このようにして粉末状物質の溶解を速め、混合は急速に進行する。
【００３４】
当発明の方法はまた、混合プロセス中に少なくとも局所的に加熱し、混合プロセスと乱流の発生をうながす。
【００３５】
当発明の方法を実施するための当発明の混合装置は固体表面に少なくとも１つの相互作用部分を含み、少なくとも１つの表面音波発生装置を有する。この表面音波発生装置は、それによって発生した表面音波のエネルギーが相互作用部分に存在する液体に伝達されるように、相互作用部分に配置されている。
【００３６】
固体表面という概念は当発明の対象では、直接には例えば半導体で知られているチップのような個体の表面、あるいは、例えば金属被膜又は絶縁被膜のような固体表面上の被膜を指す。同じく例えば固体上の石英層も固体表面と理解することができる。同じく当発明は、固体表面の一部、例えば圧電リチウムニオブ酸塩結晶、例えば石英の一部が被膜で覆われている実施例をも含む。
【００３７】
他のヴァリエーションでは、固体表面に凹みを作る。表面音波発生装置は固体表面に、凹みの液体と相互作用する表面音波を発生するように設置する。凹みの拡大は取扱う量によって決まる。主な寸法は数マイクロメータからミリメータである。
【００３８】
表面音波発生装置が凹みの外に設置されると凹みは、表面音波発生装置によって生成されうる波長に比べて小さくなければならない。標準は数マイクロメータである。凹みはそれより深ければ、表面音波発生装置によって凹みの外に生成される表面音波は凹みへの突入のための階段を超えることはできないであろう。
【００３９】
他の仕様では、表面音波発生装置は凹みの部分自体の内部にあるため、表面音波発生装置の深さの限定は不必要である。表面音波は直接液体と相互作用するため、凹みの内部で液体の効果的な混合が可能である。
【００４０】
場合によっては表面音波発生装置は、その材料が検査する液体又はそこに含まれる材料にとって害になるときは、被膜をつける。被膜は表面音波がそれでも液体に作用するよう選ぶ。相互作用部分の被膜の厚みは表面音波の長さよりも小さくなくてはならない。
【００４１】
当発明の他のヴァリエーションでは、表面音波発生装置の部分で固体表面の表面質を、この部分の加湿特質が、液体が好んでそこに滞留するように、周辺とは異なるよう選ぶ。そのヴァリエーションでも表面音波発生装置を好みの滞留個所に設置して、表面音波と好みの滞留個所の液体の相互作用ができるだけ効果的になるようにすることができる。表面音波発生装置と好みの滞留個所の被膜の材料如何により追加の薄い保護層をこれらのエレメント間又はその上につけて、液体をこれらのエレメントから分離することができる。
【００４２】
湿化特質を変化させるため、例えば、親水性又は疎水性の部分を置いてもよい。水性の溶液を扱おうとすれば、例えば、好みの滞留個所をそれが周辺の固体表面より親水性であるよう選ぶ。これは好みの滞留個所の親水性被膜あるいは疎水性周辺によって可能である。疎水性の周辺は、例えば、他のヴァリエーションでは、表面のシラン化によって可能である。
【００４３】
適用如何によって滞留個所を囲む固体表面は滞留個所の表面に比べて親水性、疎脂性、親脂性に選ぶこともできる。非水性の溶液の扱いには、例えば、好みの滞留個所が周辺に比べて親脂性であることが有利である。
【００４４】
湿化特質の変化は例えば適切な被膜で可能である。
【００４５】
液体がその周辺よりも強く湿化される好みの滞留個所の限定は、この個所の表面の平らな腐食によって行われる、あるいはその支持を受ける。この場合、腐食深さは好みの滞留個所の周辺に比べて小さい、例えば10分の1である。例えば、水性の溶液の場合は好みの滞留個所は、好みの滞留個所を囲む表面が疎水性で被覆され、滞留個所自体では数ナノメータから数マイクロメータ表面に腐食されることによって限定される。このようにして湿化角に関してコントラストは大きくなる。にもかかわらず、表面は肉眼でみるかぎり大体平らである。それにそのような平面的な腐食は、深い腐食によくあるような問題が生じることなく、極めて単純に、そして限定して作ることが可能である。加湿特性はさらに、表面の異なる粗さに起因する、いわゆるLotus効果の場合のようにマイクロ構造によって変化させることができる。この粗さは例えば、化学処理とかイオン照射のような表面部分のマイクロ構造によって得られる。つまり、さまざまな加湿特性の部分の作成は、すでに知られている石版技術と被膜テクノロジーによって簡単かつコスト安に行うことができる。
【００４６】
表面音波発生装置は変化した加湿特性の部分に置いてもいいし、凹みの表面に置いてもいい。被膜は、例えばバイオコンパチブルな表面音波発生装置の上側の置けば有利である。そのような被膜を使って表面音波発生装置の材料が液体に影響をおよぼすか、あるいは例えば腐食性の液体である場合、液体が表面音波発生装置を傷めるのを防ぐことができる。
【００４７】
バイオコンパチブルな被膜を選べば、例えば生物系の材料を、それが傷ついたりあるいは反応条件が悪化することなく緩衝液で検査できる。バイオコンパチブルな被膜の材料の１つとして例えば、二酸化珪素がある。
【００４８】
この場合、例えば二酸化珪素のバイオコンパチブルな被膜を固体表面につけ、それに液体を入れる凹みを腐食することができる。表面音波発生装置は二酸化珪素がない表面部分に置くことができる。表面音波は固体表面上の表面音波発生装置から二酸化珪素層がついている部分にも拡張する。そのような二酸化珪素層は極めて簡単に腐食できて、限定された凹みを作ることができる。表面音波が凹みの液体と相互作用するためには、バイオコンパチブルな被膜の厚みは、凹みの部分で表面音波の波長に比べ小さくなければならない。
【００４９】
特に、液体が好んで滞留するように、周辺とは異なる加湿特性を示す被膜を選べば、簡単である。
【００５０】
当発明の装置の他のヴァリエーションでは、相互作用部分に妨害物を置く。好みの滞留個所を有するヴァリエーションではこれらの妨害物は例えば、この滞留個所の不規則な限定という形でもよい。表面音波の作用のため滞留個所を動く液体は、不規則な境界域との相互作用によって乱れる。同じような効果は不規則な凹みによって得られる。
【００５１】
また、相互作用部分の内部でも乱れを生む妨害物を置くことができる。凹みのついた実施例ではこの妨害物は例えば、凹みを作るための腐食プロセスで利用しなかった高い物体で作ることができる。違った加湿特性によって限定されている好みの滞留個所をもつ実施例では、そのような妨害物は好みの滞留個所の内部で、液体が妨害物の表面で、周辺の好みの滞留個所より湿化状態が悪いように選ばれた加湿特性をもつ部分により限定できる。
【００５２】
当発明の装置の簡単な実施例は表面音波発生のための１つないし複数のインターデジタルトランスデューサーを含む。
【００５３】
混合すべき液体の追加加熱を可能にするため、凹みの部分に、あるいは加湿特性の変化によって決められた好みの滞留個所に加熱装置、例えば抵抗加熱を置くことができる。
【００５４】
凹み又は好みの滞留個所の内部に共振器を設け、それを当発明の設備の表面音波発生装置で発生させる表面音波が共振するよう調整すれば、共振を増幅できる。インターデジタルトランスデューサーを表面音波発生装置として用いる実施例では、そのような共振器を例えば周期的な金属帯で作り、その間隔を表面音波発生のためのインターデジタルトランスデューサーの指先配列と通約的とすることができる。他の例ではそのような共振器は例えば、腐食した帯又はそれ相応の大きさの他の被膜でもよい。
【００５５】
特に導電性の液体への利用には共振器及び/又は表面音波発生装置の被膜が便利である。導電性液体が表面音波発生装置に対し表面音波の波長より小さいか同じ距離にあれば、表面音波発生装置の電極は容量的に結ばれ、それにより表面音波発生装置が電気エネルギーを音響エネルギーに転化する効率も小さくなり、それと共に混合効率も下がる。表面音波発生装置及び/又は共振器に絶縁の被膜をつければ、つかの間の電界は累乗的に下落するため、混合効果を上げることができる。特に高い誘電率をもつ被膜は、電界が特に素早く下落するため、有利である。特別仕様では被膜を極めて薄くし、その厚みが表面音波で作られた表面音波の波長より小さいかほぼ同じにする。被膜を厚くすれば表面音波が機械的に弱められ、混合効率を再び下げる。被膜は有機質、例えばフォトラッカーでもいいし、無機質、例えば二酸化珪素又は窒化珪素でもいい。被膜は例えばスパッタリング(Sputtern)またはスピニング(Spinnen)のような周知の方法でつけることができる。生物的な適用では被膜は主としてバイオコンパチブルである。さらに被膜は側面構造となすことができる。
【００５６】
当発明の装置は全システムの一部となすことができる。例えばいくつかのこのような「混合チャンバー」を単一の固体チップにつけ、いくつかのプロセスを同時に行うことができる。同じく当発明の混合装置は他の分析あるいは合成を行ういくつかの分析あるいは合成装置をもつ総合システムの一部とすることができる。そのようにして簡単にlab-on-a-chipができ、そこでいくつかの違ったプロセスを行うことができる。１つの混合装置のための表面音波を生成するため、例えばさまざまな強さで操作できる１つないし複数の表面音波発生装置を置くことができる。
【００５７】
当発明の方法を実施するための当発明の混合装置の充填は、例えばピペットロボットを使って行うことができる。同じく好みの滞留個所に似た、液体が好んで滞留するような、周辺とは異なる加湿特性を示すチャンネル又はパイプをつけることができる。液体はそのようなパイプに沿って例えば表面音波のインパルス伝達によって動かすことができる。
【００５８】
当発明は個々の開いた固体表面に限定されない。２つの固体表面が相対していて、その間に液体がある配置でも当発明は実施できる。そのような仕様では相互作用部分を限定する凹み、ないし相互作用部分を決める、好みの滞留個所は１つの表面上にあることもあり、表面音波発生装置はそれに対面する表面上にあることもある。微量液体が両方の表面と接触すれば、そのような配置で同じく当発明の大きな効果が得られる。そのような配置では、表面が互いに相対して配置される前に、表面音波発生装置と好みの滞留個所ないし凹みを発生させるための準備手段とを互いに無関係にとることができる。
【００５９】
物体の付着力検査のための当発明による分析方法は請求項44の対象である。微量液体混合のための、上に述べた当発明の混合方法は極小の物体をもつ溶液で使われる。この溶液と表面音波との相互作用中あるいは相互作用後、表面音波によって作られる流れ如何により表面に付着する物質の量あるいは数が検査され、数えられる。例えば、乱流を作るため当発明の混合方法が使われる。
【００６０】
溶液の点滴がその表面張力によって付着している表面に置かれると、極小の物体は表面に沈下する。そこで点滴は固有のあるいは非固有の付着力あるいは分子間引力によって付着する。溶液の点滴は当発明の混合方法による表面音波によって動かされる。流れの速さないし表面音波の強さにしたがって表面にある極小物体は引きずられ、除去される。表面に付着する物体の量が流れの速さあるいは強さで決まると、付着力を知ることができる。表面音波の使用の利点は振幅ないし流れ速さを広く調節することができる点である。特にインターデジタルトランスデューサーを表面音波の生成に使うときはそうである。
【００６１】
この方法は培養液を液体として使い、生物質、特に細胞とかバクテリアを検査するときには特に便利である。場合によっては表面全体又はその部分を機能化し、いくつかの機能化面の付着力を検査する。
【００６２】
機能化は例えば、細胞単層、あるいは付着分子をもつ被膜を含むことができる。細胞被膜は例えば内皮細胞から成り立っていることもある。付着分子は例えば内皮細胞で絶縁されることもある。又はフィブロネクチン(Fibronektin)のような細胞外質のマトリックス蛋白でもありうる。
【００６３】
表面上のいくつかの部分にいくつかの機能化を行えば、１つの表面上で並行していくつかの付着を検査できる。さらにいくつかの局所的な流れの見本を例えばいくつかのトランスデューサーによってチップ上に作って、異なって機能化された部分を選択的に操作できる。
【００６４】
それゆえ、混合装置の特に有利な利用として、場合により機能化された表面での細胞の付着検査に使われる細胞付着分析がある。細胞は培養液で沈下し、基質表面に非固有的に付着するので、固有結合を非固有結合から区別できることが必要である。当発明の混合装置では、細胞を表面音波で集め、個々の細胞が流れ速度の機能としてもぎとれるかを検査する。このようにして、上に述べたように付着力を流れ速度の機能として検査する。
【００６５】
例えば10~100μm直径の細胞は、例えば表面での非固有付着の場合、表面音波によって誘導された流れに十分な抵抗をなし、表面と物質との付着は流れによって破られることがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６６】
当発明を添付の図面で詳細に説明する。図面は略図であって、必ずしも縮尺には一致しない。
【００６７】
図１は、当発明の装置の第１の実施形態を示す平面図(図１ａ)と側面図(図１ｂ)である。このチップ表面の部分図は数ミリの大きさである。図１に示されている固体表面上には、数マイクロミリの深さの凹み3がある。インターデジタルトランスデューサー5は、その隣の固体1の上にある。インターデジタルトランスデューサー5は通常、電極9と7を含み、電極は指状の突起11を含み、突起11は数マイクロミリの間隔で互いにからみ合う。固体1は圧電結晶、例えばリチウムニオブ酸塩である。それに代るものとして例えば酸化亜鉛のような圧電被膜をもつ非圧電固体がある。
【００６８】
第１の実施形態のインターデジタルトランスデューサー5は、指状に互いにからみ合う電極構造物11をもつ電極7と9からできている。指状の電極構造物11と電極7，9とは例えば石版で決められ、金属被膜として蒸着させたものであってもいい。層厚は例えば数百ナノメータから数マイクロメータである。厚みは図１ｂでも以下の図でも縮尺通りではない。図では指状に食い込み合う電極構造物を図式的に示す。実際はインターデジタルトランスデューサーは場合によってははるかに数多い、食い込み合う指状電極をもっている。
【００６９】
インターデジタルトランスデューサー5の電極に交流電圧を通せば表面音波が生じ、その周波数は表面音波速度と指先間隔の商である。周知のように、波長は１つの電極の隣接する指先の間隔と同じである。表面音波の放射方向は電極7と9とを結ぶ線に直角である。ここで問題になる放射方向は10と記されている。電気交番磁界は図示されていないリード線で電極7と9に通してもいいし、電極に接続したアンテナ装置を使って無線で照射してもいい。
【００７０】
当発明のこのような装置は以下のように使う。混合用の液は例えばピペットロボットで凹み3に入れる。インターデジタルトランスデューサー5を使って放射方向10の表面音波を生成する。この表面音波は凹み3の液体に当り、固体表面の変形によって乱流を生成し、それが混合へと導く。液体内に帯電又は分極の材料がある場合は、圧電結晶内で表面の機械的変形に伴う電界により表面音波のインパルス伝導が加わる。
【００７１】
図２は第２の実施形態を示す。図２ａは平面図、図２ｂは側面図である。凹み23の表面に、指状の突起31をもつ電極29と27のついたインターデジタルトランスデューサー25がある。指状の突起は凹み23にまで達し、電極27と29はこの実施形態では凹み23の外にある。21はここでも圧電基質である。
【００７２】
インターデジタルトランスデューサー25の上には、少なくともその部分に例えば二酸化珪素の被膜33があり、それは例えばバイオコンパチブルの保護層をなしている。
【００７３】
図２の実施形態でも混合用の液は凹み23に入れる。バイオコンパチブルな保護層（被膜）33は、液体がインターデジタルトランスデューサー25の金属性電極構造物と直接接触するのを防ぐ。この液体は生物質の液体であり、二酸化珪素によって生物質の損傷が防がれる。
【００７４】
これに続いて上に述べた第１の実施形態と同じく、表面を変形するため表面音波を生成させる目的で数MHzから100MHzの電気的交番磁界をインターデジタルトランスデューサー25に通す。インターデジタルトランスデューサー25の部分で表面音波の強さは極めて大きく、このようにして固体の変形、あるいは帯電又は分極の材料への電気の作用によって効果的な混合へと導く。
【００７５】
図３は第３の実施形態を示す。図３ａは平面図であり、図３ｂは側面図である。この実施形態には凹みがない。固体41上にはインターデジタルトランスデューサー45があり、電極47と49がつき、指状に食い込み合う電極突起51をもつ。図示した実施形態ではインターデジタルトランスデューサー45の上に被膜43があり、この被膜43は処理すべき液体が好んでそこに滞留するよう選ばれている。つまり被膜43は周辺よりも液体によって強く湿化されるよう選ばれている。
【００７６】
これに代るものとして、インターデジタルトランスデューサー45の置かれている部分の周辺が次のような加湿特性もつ場合がある。つまりその加湿特性のもとでは、微量液体はインターデジタルトランスデューサー45がある個所より滞留を好まない。水性の液体の処理についていえば、周辺の部分はインターデジタルトランスデューサー45のある部分に比べ疎水性である。疎水性の湿化特性は例えばシラン化によって得られる。
【００７７】
にもかかわらず、シラン化周辺のそのような実施形態でも例えば二酸化珪素の追加の被膜43をつけ、インターデジタルトランスデューサー45を保護するかバイオコンパチブルを確保することができる。
【００７８】
例えば、水性の液体をインターデジタルトランスデューサー45の部分に加える。電気交番磁界を通せば図２の実施形態と同じく表面音波の液体53へのインパルス伝達が起きる。そのようにこの実施形態でも混合は効果的に行える。
【００７９】
当発明の方法は、凹み3を好みの滞留個所に代えて、図１の装置でも行える。好みの滞留個所の湿化特質は図３により、微量液体が好んで滞留するように選ぶ。
【００８０】
図４には好みの滞留個所63をもつ当発明の実施形態が示される。好みの滞留個所は例えば湿化特質の変化によりすでに述べたように生成される。例えば上に述べたインターデジタルトランスデューサー5に対応するインターデジタルトランスデューサー65は、インターデジタルトランスデューサー65で生成された表面音波の音響通路70が分散的に好みの滞留個所63に当るように固体表面に置かれる。
【００８１】
好みの滞留個所63には図示されていない液体がある。インターデジタルトランスデューサー65で表面音波が生成されると、それは音響通路70の方向に拡大し、液体に当る。表面音波の強さが十分に小さければ、液体は表面音波のインパルスにより好みの滞留個所から遠ざけられない。しかし、インパルス伝達により液体の内部に動きが生れ、流れのプロフィール72の乱れとなる。したがって、効果的な混合が得られる。
【００８２】
図５ａの実施形態では、２つのインターデジタルトランスデューサー65と66とがあり、それぞれ音響通路70と74をもっている。この音響通路は分散的に好みの滞留個所63に当る。
【００８３】
62ないし64は、同じ周波数の位相ずれ交流をインターデジタルトランスデューサー65又は66に通せば、それにより生成される表面音波の「波の山」を実例で示している。表面音波間の位相ずれはΔΦで記される。73は液体を表わす。表面音波は側面で液体73に当る。位相ずれによって渦が発生し、代表例として76と78で記される。
【００８４】
図５ａではさらにインターデジタルトランスデューサー67と68とが記され、その１つを選択する。これによって表面音波発生装置65ないし66の表面音波に対抗する表面音波が各々発生する。このようにして適用の際の高いフレキシビィリティが与えられる。対面するインターデジタルトランスデューサー65と67間の相を適当に選べば、既存の表面音波も励起され、その結節点間の部分に強力な混合を生む。
【００８５】
インターデジタルトランスデューサーがチップ表面上に好みの滞留個所に対して異なる距離をもって配置されれば、同じような効果が得られる。表面音波の異なる走行時間によりこの方法でも、インターデジタルトランスデューサーによって発生する表面音波間の位相のずれが起きる。
【００８６】
図５ｂは１つの変種を示すもので、乱流を発生させるため同じく２つのインターデジタルトランスデューサー65,66を使う。音響通路70又は74をもつ、インターデジタルトランスデューサー65又は66で発生した表面音波は、簡略化のため図に記されていない液体の存在する好みの滞留個所63に分散的に当る。インターデジタルトランスデューサー65又は66は各々交番磁界で励起され、その相関係は滞留個所63の場所でインターデジタルトランスデューサー65又は66で発生した表面音波が同じ相であれば、図５ｂの滞留個所63にある液体に77と79で記した渦が生じる。ここでも液体の混合は好みの滞留個所63で得られる。
【００８７】
図６では共振器のある当発明の実施形態が示されている。85は図１の実施形態のインターデジタルトランスデューサー5に対応するインターデジタルトランスデューサーを示す。83は例えば、周辺の固体表面に対する加湿特性の変化によって発生した好みの滞留個所を示す。好みの滞留個所には共振器が設置されている。この共振器は例えば、半波長の指先距離を有する指状の金属被膜に相当する。その被膜は、インターデジタルトランスデューサー85に交番磁界を通せば、インターデジタルトランスデューサー85から90の方向に放射される表面音波をもつ。この金属被膜の筋は代表例として86と記する。代替として例えば、周期的なチャンネル腐食が挙げられる。
【００８８】
共振器筋は主として半波長の距離で配置され、開いた表面の音響的インピーダンスでの非連続性を形成する。圧電基質では筋の被膜の非連続性に加えて、電気的周辺条件の非連続性が有利に働く。圧電体の表面上の共振器としての金属は、圧電界の短絡のため、金属下部の音速をさらに減少させる。
【００８９】
そのような共振器は好みの滞留個所での混合場所で表面音波振幅を大きくする。そのような共振器では表面音波を照射するとき、位相の正しい反応によって個々に、周期的に配置された非連続性で発生する局所的に高い定在波界が形成される。
【００９０】
共振器筋は好みの滞留個所に中間層により絶縁することができる。同じく共振器上に、そこにある液体を保護する被膜をつけることができる。簡略化のためそのような実施形態は図６に記されていない。
【００９１】
図７ａと図７ｂには、乱流の強化に役立つ妨害物をもつ当発明の２つの実施形態が記されている。図７ａでは、95はまた、少なくとも放射方向100の方向にも、表面音波を上に述べた方法で照射することのできるインターデジタルトランスデューサーを記している。93は、例えば加湿特性の変化により発生しうる好みの滞留個所を示す。101はその加湿特性が好みの滞留個所外の固体表面の加湿特性に対応する渦発生構造を記している。好みの滞留個所93にある液体はこの妨害物101によって層流を阻止され、妨害物101の不都合な加湿特性によって発生する乱流となる。
【００９２】
図７ｂの実施形態では図３の例と同じく、好みの滞留個所103はインターデジタルトランスデューサー105の指の部分にある。図７ｂの実施形態では、好みの滞留個所の端は平滑でなく、ぎざぎざ部104となっている。インターデジタルトランスデューサー105により液体にかかるインパルス伝達を使って、好みの滞留個所103に発生する動きは、ぎざぎざ部104によって妨害され、混合を促進する乱流が生れる。
【００９３】
図７で示した妨害物101は単に例として理解すべきである。好みの滞留個所あるいは凹みでの渦発生のための他の形の妨害物ももちろん可能である。渦発生構造物は例えば腐食によってできる。
【００９４】
図８は当発明のもう一つの実施形態を示す。ここで200は圧電固体基質としてのリチウムニオブ酸塩結晶を表わす。結晶200の一部の上に二酸化珪素の被膜202があり、腐食部分204を含む。上に述べたようなインターデジタルトランスデューサーは206と記されている。インターデジタルトランスデューサー206に交番磁界を通せば、それによって送ることができる表面音波の方向は208である。表面音波は圧電結晶の形をなして二酸化珪素被膜上に拡大する。腐食部分204では、二酸化珪素の厚みは小さくし、インターデジタルトランスデューサー206で発生できる表面音波の波長に比べ極めて小さくなっている。つまり腐食個所204の被膜202の厚みはインターデジタルトランスデューサー206の指間隔に比べ極度に小さい。圧電結晶200と二酸化珪素202の境界域を通る表面音波は、二酸化珪素層がそのような薄いと、腐食個所204では、そこにある液体と相互作用する。このような実施形態は二酸化珪素の腐食がたいへん簡単で、液体の定まった受け口を作ることができるという利点を有する。にもかかわらずインターデジタルトランスデューサー206の金属構造物はよく知られた石版被膜方法で圧電結晶上に極めて簡単に設けることができる。
【００９５】
すべての実施形態に加熱装置、例えば抵抗加熱を加え、混合と温度対流をよくすることができる。簡略化のためこれらは図に記されていない。
【００９６】
液体は混合個所にピペットロボットで入れてもいい。しかし図示されていないが、リード管をつけてもいい。これは液体を通すチャンネルでもいいし、例えば図３〜図７の１つの実施形態にあるように固体表面上に混合個所43と同じ加湿特性をもつ細い筋でもいい。そのようなリード線を通じて液体は、例えば表面音波のインパルス伝導によってもインターデジタルトランスデューサー45の混合個所に入れることができる。
【００９７】
簡略化のため、図にはただ１つのインターデジタルトランスデューサーのある実施形態のみ載せている。しかし例えば、異なる指間隔の複数のインターデジタルトランスデューサーを設置することも可能である。インターデジタルトランスデューサーは相互作用部分の周辺に置くこともできる。インターデジタルトランスデューサーは必ずしも一定の指間隔でなくてもいい。インターデジタルトランスデューサーの狭い部分でのみ共振条件が満たされるため、不定の指間隔のインターデジタルトランスデューサーで音響通路は横方向でも限定される。
【００９８】
いくつかの実施形態について述べた共振器及び/又はインターデジタルトランスデューサーの上の被膜はインターデジタルトランスデューサーによって送られる波長に比べ小さいか同じの厚みとするのがよい。そのような被膜は、表面音波を機械的に甚だしくは弱めず、しかもインターデジタルトランスデューサーが電気エネルギーを音響エネルギーに転化する効率の低下につながる電極の容量性連結を防ぐ。そのような被膜は例えば主としてフォトラッカー、二酸化珪素、窒化珪素からできていて、高い絶縁定数をもっている。そのような被膜は上に被膜を明示しなかった実施形態にも適用される。
【００９９】
これまで挙げた実施形態は当発明の装置の例としてのみ理解すべきである。もちろん当発明の特長の他のコンビネーションも可能である。例えば図６で述べた共振器構造物は、好みの滞留個所83の代りに凹みを示す実施形態にも可能である。同じく図７で述べた妨害物は、好みの滞留個所が凹みに取って代わられている実施形態でも可能である。これは例えば図１と図２の実施形態がそうである。また図４又は図５の実施形態のように、表面音波が液体の中心に当らない実施形態も好みの滞留個所の代りに凹みを有している。
【０１００】
当発明は開いたチップ表面での利用に限定されない。中間に液体のある２つの対面する固体表面でもよい。そのような配置では例えば表面音波発生装置は１つの表面にあり、液体の動きを限定する構造物、つまり凹みとか好みの滞留個所は他の固体表面にある。微量液体が両方の表面に触れれば、これまで述べた効果は当発明のこの実施形態でも得られる。
【０１０１】
これまで述べた実施形態はすべて複数の混合装置が固体表面に配置された大きなシステムの一部とすることができる。チップ表面には他の分析ないし合成装置を置くこともできる。
【０１０２】
当発明の装置ないし方法は極小の液体を効果的に混合し、例えば反応を促進するのに適している。当発明の装置ないし方法は液体内に均質な熱力学的な条件を作るのを効果的に助ける。同様にさまざまな液体量を拡散によって限定されることなく、迅速かつ効果的に混合できる。当発明の他の適用例では固体、例えば粉末を相互作用部分に入れる。続いて液体を混合個所に入れる。表面音波のインパルス伝導を使って粉末の溶解を速めることができる。最後に当発明の装置と方法は材料、例えば生物質を液体内で分けるためにも効果的に使うことができる。
【０１０３】
特に当発明の方法は、例えば細胞又はバクテリアのような極小の物体の機能化された表面の付着力を調べるのに使われる。そこでは当発明の混合装置は細胞付着分析に使われる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１ａ】当発明の方法実施のための装置の一部を示す平面図である。
【図１ｂ】図１ａの実施形態を示す側面図である。
【図２ａ】当発明の方法実施のための第2の装置の一部を示す平面図である。
【図２ｂ】図２ａの実施形態を示す側面図である。
【図３ａ】当発明の方法実施のための第3の装置の一部を示す平面図である。
【図３ｂ】図３ａの実施形態を示す側面図である。
【図４】当発明の方法実施のための第4の装置の一部を示す平面図である。
【図５ａ】当発明の方法実施のための第5の装置の一部を示す平面図である。
【図５ｂ】図５ａの当発明の方法を変えたものである。
【図６】当発明の方法実施のための第6の装置の一部を示す平面図である。
【図７ａ】当発明の方法実施のための第7の装置の一部を示す平面図である。
【図７ｂ】当発明の方法実施のための第8の装置の一部を示す平面図である。
【図８】当発明の方法実施のための第9の装置を示す側面図である。
【図１ａ】
0004559705.tif 000002
【図１ｂ】
0004559705.tif 000003
【図２ａ】
0004559705.tif 000004
【図２ｂ】
0004559705.tif 000005
【図３ａ】
0004559705.tif 000006
【図３ｂ】
0004559705.tif 000007
【図４】
0004559705.tif 000008
【図５ａ】
0004559705.tif 000009
【図５ｂ】
0004559705.tif 000010
【図６】
0004559705.tif 000011
【図７ａ】
0004559705.tif 000012
【図７ｂ】
0004559705.tif 000013
【図８】
0004559705.tif 000014