(57)【要約】本発明は、底壁（２）、側壁（４）及び頂壁（５）によって画定されていて、少なくとも１つの液体（６）及び液体（６）に対して非混和性の少なくとも１つの流体（７）を収容するよう設計された少なくとも１つのマイクロチャネルを有する超小型流体素子（１）に関する。超小型流体素子は、液体と流体との間のインタフェースを安定化させる手段を有する。安定化手段は、マイクロチャネルの長さ全体にわたりマイクロチャネルの第１の壁の少なくとも一部に被着された少なくとも１つの電極（９）及びマイクロチャネルの長さ全体にわたり、電極（９）に対向して配置された第２の壁の少なくとも一部に被着された少なくとも１つの対向電極（１０）を含む。電極（９）及び対向電極（１０）は好ましくはそれぞれ、マイクロチャネルの底壁（２）及び頂壁（５）に被着される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの液体及び前記液体に対して非混和性の少なくとも１つの流体を収容するよう設計された少なくとも１つのマイクロチャネル（１３）と、前記液体と前記流体との間のインタフェースを安定化させる手段とを有する超小型流体素子であって、前記マイクロチャネル（１３）が、底壁（２）、側壁（４）及び頂壁（５）によって境界付けられている超小型流体素子（１）において、前記安定化手段は、マイクロチャネル（１３）の長さ全体にわたってマイクロチャネルの第１の壁の少なくとも一部に被着された少なくとも１つの電極（９）と、マイクロチャネルの長さ全体にわたり、前記電極に向いて配置された第２の壁の少なくとも一部に被着された少なくとも１つの対向電極（１０）とから成ることを特徴とする超小型流体素子。
【請求項２】
対向電極（１０）は、第２の壁の全体に被着されていることを特徴とする請求項１記載の超小型流体素子。
【請求項３】
電極（９）及び対向電極（１０）はそれぞれ、底壁（２）及び頂壁（５）に被着されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超小型流体素子。
【請求項４】
電極（９）及び対向電極（１０）は、それぞれ、側壁（４）に被着されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超小型流体素子。
【請求項５】
流体又は液体は、導電性であり、超小型流体素子（１）は、電極又は対向電極と前記流体又は前記液体との間に設けられた絶縁手段を有することを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一に記載の超小型流体素子。
【請求項６】
流体は、マイクロチャネル（１３）内を液体の方向とは逆の方向に流れることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか一に記載の超小型流体素子。
【請求項７】
マイクロチャネル（１３）は、少なくとも一端部に、流体及び液体をそれぞれ流通させるよう設計された２つの端部マイクロチャネルを有することを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか一に記載の超小型流体素子。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔発明の背景〕
本発明は、少なくとも１つの液体及びこの液体に対して非混和性の少なくとも１つの流体を収容するよう設計された少なくとも１つのマイクロチャネルと、上記液体と上記流体との間のインタフェースを安定化させる手段とを有する超小型流体素子であって、マイクロチャネルが、底壁、側壁及び頂壁によって境界付けられている超小型流体素子に関する。
【０００２】
〔技術の現状〕
μ−ＴＡＳ（超小型全分析システム）又はラボオンアチップ（lab-on-a-chip）と言ったほうがより広く知られているマイクロラボ（microlab）又は超小型流体素子は、極く僅かの量のサンプルに対して化学的又は生物学的操作を行うために用いられる。これら量は、例えば、ナノリットル〜マイクロリットルのオーダのものである。かくして、超小型流体素子を用いて混合、分離、温度チェック、反応又は溶剤による抽出を行うことが知られている。
【０００３】
この規模に関し、互いに非混和性の２つの相を接触状態においた場合、特に、例えば溶剤による抽出の場合に物質移動が２つの相の間で起こるときに生じる大きな問題のうちの１つは、２つの相の間のインタフェースの安定化が得られるかどうかということである。
【０００４】
液−液又は液−気インタフェースを安定化させる種々の方法が存在する。かくして、大規模な素子又は装置では、多孔質膜（membrane）により２つの非混和性の相の間のインタフェースを安定化させることが知られている。例えば、国際公開第９，６１２，５４０号パンフレットは、２つの非混和性流体相の間のインタフェースを安定化させるよう設計された平らな多孔質メンブレンにより２つの非混和性流体相の間の溶質の移動を可能にする装置及び方法を記載している。
【０００５】
この技術は、先行技術文献であるＷ．アーフェルド他（W. Ehrfeld et al.）著、「化学および生物学的マイクロリアクタ用の部品およびシステムの製作（Fabrication of components and systems for chemical and biological microreactors）」，マイクロリアクション・テクノロジー（Microreaction technology），ＩＭＲＥＴ１，１９９７年，７２〜９０ページに記載されているようにマイクロラボの規模に適用されている。この文献は、非常に目が細かく且つ選択性の高いメンブレンをマイクロラボで用いて抽出及び濾過を行うことを記載している。
【０００６】
また、互いに非混和性の２つの相が入れられたマイクロチャネルの表面特性を変更することも知られている。かくして、先行技術文献であるビン・チャオ他（Bin Zhao et al.）著，「表面に向けられた液体フローの内部のマイクロチャネル（Surfacedirected liquid flow inside microchannels）」，サイエンス（Science ），第２９１巻，２００１年，１０２３〜１０２６ページは、マイクロチャネル内でのインタフェースの安定化のための方法を記載している。マイクロチャネルの底部の所定のゾーンは、ゾーンの湿潤性を変更するよう化学的に処理され、これにより特定の経路が２つの相に課される。事実、各相は、湿潤性の見知からこれに最もよく対応するゾーンに局所化されたままである。この技術は特に、２つの相の間の広い接触表面が必要である用途に用いられるが、非常に実用的であるというわけではない。
【０００７】
流体を所与の一箇所から別の箇所へ移動させる目的で２つの電極相互間に電位差を非連続的に印加することも又常套的である。かくして、先行技術文献である米国特許出願公開第２００２／０４３，４６３号明細書は、非混和性の液体中に入れられた電解質の液滴を、上側チャンバと下側チャンバを分離する壁に設けられたオリフィスを介して下側チャンバから上側チャンバに移動させるよう設計された装置を記載している。電位差を第１の対をなす電極相互間に非連続的に印加することにより、液滴を第１の段階で、下側チャンバに沿って移動させてこれが壁の所定のオリフィスに向くようにすることができる。次に、下側チャンバの下及び上側チャンバの上にそれぞれ設けられた第２の対をなす電極相互間に電位差を非連続的に印加して液滴が壁のオリフィスを通って一方のチャンバから他方のチャンバに移動することができるようにする。
【０００８】
先行技術文献である米国特許第４，８１８，０５２号明細書及び国際公開第０２，０６９，０１６号パンフレットは、第１の流体がマイクロチャネル内で第１の流体と非混和性の関係にある第２の流体に対して移動することにより第１の位置と第２の位置との間で動作する光スイッチを記載している。第１の流体の運動は、マイクロチャネルの互いに反対側の壁に被着された電極相互間に電位差を非連続的に印加することにより達成できる。各電極は、一連の制御信号を印加することによりマイクロチャネル内部での液滴の長手方向運動を生じさせるようマイクロチャネルの長さの一部を覆っている。
【０００９】
この種の装置において電圧を印加することは、流体を別の非混和性流体中で一つの所与の箇所から別の所与の箇所に移動させることができるに過ぎない。
【００１０】
〔発明の目的〕
本発明の目的は、互いに非混和性の液体と流体との間の接触ゾーンを安定化させると共に実施が容易であり、他方、液体と流体との間の高度の接触表面を維持する超小型流体素子を提供することにある。
【００１１】
本発明によれば、この目的は、上記安定化手段は、マイクロチャネルの長さ全体にわたってマイクロチャネルの第１の壁の少なくとも一部に被着された少なくとも１つの電極と、マイクロチャネルの長さ全体にわたり、上記電極に向いて配置された第２の壁の少なくとも一部に被着された少なくとも１つの対向電極とから成ることによって達成される。
【００１２】
本発明の一発展例によれば、対向電極は、第２の壁の全体に被着される。
【００１３】
好ましい実施形態によれば、電極及び対向電極はそれぞれ、底壁及び頂壁に被着される。
【００１４】
本発明の別の特徴によれば、流体又は液体は、導電性であり、超小型流体素子は、電極又は対向電極と上記流体又は上記液体との間に設けられた絶縁手段を有する。
【００１５】
別の特徴によれば、マイクロチャネルは、少なくとも一端部に、流体及び液体をそれぞれ流通させるよう設計された２つの端部マイクロチャネルを有する。
【００１６】
他の利点及び特徴は、非限定的な例として与えられているに過ぎず、添付の図面に記載されている本発明の特定の実施形態についての以下の説明から明らかになろう。
【００１７】
〔特定の実施形態の説明〕
図１では、特に溶剤による抽出を行うために用いられる超小型流体素子１が、基板３によって形成された底壁２、基板上に形成された側壁４及び基板に平行に設けられた頂壁５によって境界付けられた少なくとも１つのマイクロチャネルを有している。マイクロチャネルは、互いに非混和性の２つの相６，７を形成する液体と流体を接触状態におくために設計されている。流体とは、液体又は気体を意味する。
【００１８】
マイクロチャネルは、高さに対して長さが非常に大きな中空の３次元構造である。長さが幅に対して非常に大きな場合、直線状３次元構造のマイクロチャネルが意図されている。例えば、マイクロチャネルの長さは好ましくは、約数ミリメートルから数センチメートルであり、これに対し、幅及び高さはそれぞれ、約数十マイクロメートルから数百マイクロメートルである。マイクロチャネルは又、特にこれが多くの数の相を収容する場合、幅が高さに対して非常に大きい場合がある。この場合、表面３次元構造のマイクロチャネル又はマイクロチャンバが意図されている。
【００１９】
２つの相の間のインタフェースを安定化させるため、超小型流体素子は、マイクロチャネルの長さ全体にわたってマイクロチャネルの第１の壁の少なくとも一部に被着された少なくとも１つの電極を有する。少なくとも１つの対向電極が、マイクロチャネルの長さ全体にわたり、第２の壁の少なくとも一部に被着されている。対向電極を備えた第２の壁の部分は、上述の電極に向いた状態で配置されている。対向電極も又、第２の壁の全体に被着させるのがよい。電極及び対向電極の幅は好ましくは、数十マイクロメートル〜数百マイクロメートルである。
【００２０】
超小型流体素子は、電位差を電極と対向電極との間に生じさせるよう設計された手段を更に有する。電位差により、静電力と呼ばれる力が生じ、かかる力は、これら力に対する相の感度に応じて、２つの相のうち一方又は相の両方の或る特定の性質を変える。かくして、静電力は、接触状態におかれた液体と流体の特性に応じて、互いに異なる性質のものであるのがよい。かかる力は、例えば、相の支持体に対する相のうちの一方又は両方の相の湿潤性を変えることができる。この場合、かかる力は、電気湿潤力又は電気毛管力と呼ばれている。誘電性液体に作用する体積力又は誘電力も又絡む場合がある。
【００２１】
生じる電位差により、生じる力の影響を最も受けやすい相を電極及び電極に向いて配置された対向電極の部分によって境界付けられたゾーン内に保つことができ、これにより、２つの相の間のインタフェースが安定化され、かかるインタフェースは、電極の配置状態に従って垂直又は水平であるのがよい。かくして、電極及び対向電極はそれぞれ底壁及び頂壁に被着される場合、インタフェースは、実質的に垂直であり、これに対し、これら電極が側壁に被着される場合、インタフェースは、実質的に水平である。
【００２２】
図１においては、電極９は、底壁２の一部に被着され、対向電極１０は、頂壁５の全体に被着されている。電極９及び対向電極１０はそれぞれ、相７及び２つの相６，７と接触状態にある。この場合、電極９及び電極９に向いた対向電極１０の部分は、相７が入れられる第１の所定のゾーンを形成し、相８は、第１のゾーンの隣に位置したマイクロチャネルの第２のゾーン内に配置される。
【００２３】
超小型流体素子は、電極９を電圧発生器１２に接続する電気接点接続部１１を更に有し、この電圧発生器１２は、対向電極１０に接続されている。電圧発生器により印加される電圧は、ＡＣ又はＤＣであり、これは、約数十ボルト〜数百ボルトである。ＡＣ電圧の場合、電気周波数は、約数十ヘルツ〜数十メガヘルツであるのがよい。かくして、２つの電極相互間に生じる電圧は、永続的であり、即ち、これは時々印加されるのではなく、これとは対照的に、超小型流体素子の使用期間全体にわたって印加され、したがってこの時間の間、２つの相の間のインタフェースが安定化されるようになる。電圧は例えば、正弦波であるのがよい。
【００２４】
マイクロチャネルの相の入口は、不動であってもよく、運動中であってもよい。相が運動中であることが意図されている場合、マイクロチャネルは、少なくとも一端部に、流体及び液体をそれぞれ流通させるよう設計された２つの端部マイクロチャネルを有するのがよい。かくして、図２においては、液体及び流体は、それぞれ第１及び第２の長手方向且つ隣り合うゾーン中のマイクロチャネル１３内を流れるよう設計されている。第１のゾーンは、図２においては、電極９によって境界付けられ、これに対し、第２のゾーンは、マイクロチャネルの自由部分、即ち、電極を備えていない部分に相当する。マイクロチャネル１３は又、占有空間が直線状マイクロチャネルよりも少ないようにするために曲げ部を有する。
【００２５】
マイクロチャネル１３の端部はそれぞれ、第１の相の入口及び出口に合わせてそれぞれ設計された入口マイクロチャネル１４及び出口マイクロチャネル１６から成る。同様に、第２の相の入口及び出口に関し、マイクロチャネル１３の２つの端部は、入口マイクロチャネル１５及び出口マイクロチャネル１７から成る。２つの相は、電極及び対向電極により境界付けられた経路上でマイクロチャネル１３内を流れる。電極と対向電極との間に生じる電位差の影響を最も受けやすい相の経路は、図２において電極９によって表されている。電極９は、マイクロチャネル１３の底壁の幅の一部に、マイクロチャネル１３の長さ全体にわたり且つ入口及び出口マイクロチャネル１５，１７の長さ及び幅全体にわたって被着されている。２つの相は、同一方向又は逆方向に流れることができる。
【００２６】
代替実施形態では、超小型流体素子は、直列又は並列に配置された複数のマイクロチャネルを有することができる。かくして、図３においては、図２のマイクロチャネル１３は、同一の幾何学的形状の第２のマイクロチャネル１８に連結されている。第２のマイクロチャネル１８は、第３の相を導入する入口マイクロチャネル１９及び第１の相を導入する入口マイクロチャネル２０を有している。入口マイクロチャネル２０は、第１の相が第１のマイクロチャネル１３から第２のマイクロチャネル１８に流れることができるよう出口マイクロチャネル１６に連結されている。これにより、別の、即ち第２の物質移動を第１の相と第３の相との間に達成することができ、第１のマイクロチャネル１３の第２の相は、出口マイクロチャネル１７を経て除去される。かくして、数個のマイクロチャネルを直列に配置することにより、数回の連続抽出を行うことができ、これに対し、数個のマイクロチャネルを並列に配置することにより、数回の抽出を同時に行うことができる。
【００２７】
２つの相を任意適当な手段により超小型流体素子中に注入することができる。かくして、液体及び流体を、ポンプ、給水柱又はプランジャ注射器或いは毛管又は電気浸透により液体及び流体を注入することができる。かくして、図４〜図７に表されているように、マイクロチャネル１３は、第２の相７を受け入れるよう設計されたタンク２１を有している。また、毛管２２が第１の相を注入するようマイクロチャネル１３の入口のうちの１つにスティッキングにより連結されている。
【００２８】
図５において、或る量の第２の相７が、タンク２１内に貯められている。対向電極（図示せず）と電極９との間に印加される電位差の作用に起因して、電位差の影響を最も受けやすい第２の相７が、電極９及び電極９に向いた対向電極の部分によって境界付けられたゾーン内で広がる（図６）。電位差により生じる力は、第２の相７を図５において電極９により表されたマイクロチャネル１３のゾーン中へ駆動する超小型流体ポンプの役割をも果たす。第２の相７をいったん注入して安定化させると、第１の相６を毛管２２経由で注入し（図７）、この第１の相は、マイクロチャネル１３の自由空間内でマイクロチャネル１３内を流れる。第１の相６と第２の相７との間のインタフェース８は、この流れの間、安定したままである。
【００２９】
かくして、本発明の超小型流体素子により、互いに非混和性の２つの相の間のインタフェースを、２つの相の間に物理的バリヤを必要としないで、効率的に安定化させることができる。これは、２つの相の間の接触表面を減らさず、したがって、２つの相の間の物質移動を僅かな表面に限定することは無いという利点をもたらす。
【００３０】
図８〜図１１に示された第１の実施形態によれば、図１の超小型流体素子を厚さ５００μｍのガラス又はシリコンで作られた基板３から形成し、次いで、金の電極９をフォトリソグラフィーによって形成する（図８）。液体又は流体が導電性であれば、超小型流体素子は、電極及び（又は）対向電極を導電性液体及び（又は）流体から保護することができる絶縁手段を有する。絶縁手段は、電極又は対向電極と液体又は流体との間に配置される。かくして、電極を備えた基板３を、例えば酸化シリコン又はＳｉＯ２の層２３によって絶縁するのがよく、この層は、プラズマ促進化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）法により基板に被着される。
【００３１】
次に、厚手の樹脂製の側壁４をフォトリソグラフィーにより基板３上に作る（図１０）。ガラス又はプラスチック材料、例えばポリカーボネートで作られた頂壁５をグルー２４のスクリーン印刷により組立体に組み付ける（図１１）。この段階の実施前に、頂壁５の幅の一部を化合物としてのインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）の層で被覆しておく。層は、対向電極１０を形成し、この層を絶縁するのがよい。かかる超小型流体素子を得ると、実施が容易になるという利点がもたらされる。
【００３２】
数マイクロメートルの絶縁層２３は、側壁を形成した後、蒸気相で被着された絶縁ポリマー、例えば一般にParylene（登録商標）の商品名で知られているDi Para Xylyleneタイプのダイマーで作られたものであるのがよい。この層は又、グルーのスクリーン印刷による組み付け前にスピンコーティングにより被着された液体弗素化ポリマー、例えば、液体Teflon（登録商標）で作られたものであってもよい。対向電極１０の絶縁は、例えば、組み付け前に頂壁に対して施される。これは、電極９の絶縁について既に説明した技術に従って被着されたParylene（登録商標）又はTeflon（登録商標）の数マイクロメートルの絶縁層の被着によって達成できる。電極及び対向電極の絶縁も又、底壁及び頂壁の組み付け後に、Parylene（登録商標）（気相成長）又は液体Teflon（登録商標）（マイクロチャネル中を流れることによる被着）の数マイクロメートルの絶縁層を被着させることにより実施できる。
【００３３】
第２の実施形態によれば、マイクロチャネルは、ホットエンボス加工により、頂壁５に形成する。次に、このような構造の頂壁をＩＴＯの層で被覆して対向電極を形成する。次に、電極を備えた基板への頂壁の組み付けをグルーのスクリーン印刷により行う。流体及び（又は）液体が導電性の場合、電極及び対向電極の絶縁を第１の実施形態と関連して説明した方法のうちの１つで行う。
【００３４】
本発明は、上述の実施形態には限定されない。かくして、電極及び対向電極をそれぞれ、マイクロチャネルの側壁に被着させることができる。
【００３５】
電極及び対向電極は又、第１及び第２の壁全体に互いに対向した状態で被着させてもよい。流体と液体は、電極と対向電極との間に印加された電位差に同じようには反応しないので、この場合、流体と液体との間のインタフェースを電位差の印加により安定化させる。
【００３６】
さらに、超小型流体素子は、２よりも多くの数の相を収容することができ、各相は、隣りの相に対して非混和性である。また、この技術を既に公知の技術、例えば、多孔質膜の使用又はマイクロチャネルの壁の化学的処理と結合することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の超小型流体素子の概略断面図である。
【図２】本発明の超小型流体素子のマイクロチャネルの実施形態を示す図である。
【図３】本発明の超小型流体素子のマイクロチャネルの異なる実施形態を示す図である。
【図４】液体及び流体を本発明の超小型流体素子中へ導入する一段階を概略的に示す平面図である。
【図５】液体及び流体を本発明の超小型流体素子中へ導入する異なる段階を概略的に示す平面図である。
【図６】液体及び流体を本発明の超小型流体素子中へ導入する異なる段階を概略的に示す平面図である。
【図７】液体及び流体を本発明の超小型流体素子中へ導入する異なる段階を概略的に示す平面図である。
【図８】本発明の超小型流体素子の一構成段階の略図である。
【図９】本発明の超小型流体素子の異なる構成段階の略図である。
【図１０】本発明の超小型流体素子の異なる構成段階の略図である。
【図１１】本発明の超小型流体素子の異なる構成段階の略図である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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